Холерная бактерия может украсть до 150 генов за один раз

Учёные из EPFL обнаружили, что хищные бактерии, такие как возбудитель холеры, могут за один раз украсть у соседей до 150 генов. Исследование проливает свет на один из фундаментальных механизмов горизонтального переноса генов.

В 2015 году исследователи под руководством Мелани Блокеш опубликовали в Science работу, показавшую, что бактерия Vibrio cholerae использует "копьё" с пружинным механизмом, чтобы буквально пронзать соседние бактерии и красть их ДНК. Этот механизм — система секреции VI типа (T6SS), которую используют для межбактериальной конкуренции и многие другие бактерии.

V. cholerae использует T6SS для конкуренции с другими бактериями в водной среде и приобретения нового генетического материала, который патоген поглощает и обменивает на части своего собственного генома. Такой "горизонтальный перенос генов" ведёт к быстрой эволюции и появлению патогенов. V. cholerae вызвала семь крупных пандемий холеры с 1817 года и, по данным ВОЗ, до сих пор ежегодно убивает более 100 000 человек и заражает до 4 миллионов, в основном в бедных странах.

Теперь группа Блокеш выяснила, какой объём ДНК V. cholerae может украсть за одну атаку: более 150 000 пар нуклеотидных оснований, или примерно 150 генов за раз (сама бактерия несёт около 4000 генов). Учёные вычислили это число, секвенировав полный геном почти 400 штаммов V. cholerae до и после кражи ДНК у соседних бактерий.

Предыдущие исследования пытались установить, сколько ДНК компетентные бактерии могут поглотить, скармливая им большие количества очищенной ДНК. Однако это не отражает естественных условий, где длинные фрагменты свободной ДНК редки. Кража ДНК с помощью T6SS позволяет V. cholerae получать свежевысвобожденные и длинные фрагменты ДНК. Это поведение тесно связано с хитиновыми поверхностями (например, панцирями), на которых бактерия обычно живёт в океанах и эстуариях.

Чтобы изучить это, исследователи EPFL вырастили в совместной культуре на хитине два неродственных штамма V. cholerae. Это позволило определить частоту и масштаб обмена ДНК между штаммами в более естественных условиях.

Исследование под руководством аспирантки Ноэми Матте показало, что штаммы V. cholerae с функциональной и индуцируемой хитином системой T6SS гораздо эффективнее переносят ДНК, чем бактерии без неё. Хищная бактерия приобретала крупные геномные регионы от убитой жертвы — до упомянутых 150 000 пар оснований.

Авторы делают вывод, что экологический "образ жизни" V. cholerae позволяет обмениваться генетическим материалом, несущим достаточно информации, чтобы значительно ускорить эволюцию бактерии.

"Это открытие очень важно в контексте бактериальной эволюции, — говорит Мелани Блокеш. — Оно предполагает, что бактерии в окружающей среде могут иметь общий генофонд, что делает их геномы высоко гибкими, а микробы — склонными к быстрой адаптации".