Как бактерии эволюционируют в кишечнике в течение года

Наши тела претерпевают множество изменений в течение жизни. То же самое происходит с микробами, которые живут в нас. Ведь они составляют значительную часть клеток нашего организма. Но, в отличие от клеток наших тканей и органов, эти микробы делятся очень быстро, что делает случайные ошибки в их генетическом материале (мутации) более частыми. Эти ошибки движут эволюцией микроорганизмов и определяют, среди прочего, их способность вызывать заболевания.

Большинство исследований бактериальной эволюции проводятся вне живых организмов или на животных моделях, получавших антибиотики, что не воспроизводит естественную и здоровую среду. Кроме того, очень немногие работы изучали эволюцию микробов дольше одного месяца. Поэтому вопрос о том, как бактерии эволюционируют в долгосрочной перспективе при колонизации здорового хозяина, оставался открытым.

Исследователи из Instituto Gulbenkian de Ciência (IGC) изучили эволюцию инвазивного штамма бактерии Escherichia coli на протяжении более шести тысяч поколений в кишечнике мышей. Более года они выделяли бактерии из фекалий мышей, чтобы оценить изменения в их генетическом материале. В итоге авторы показали, что когда новая бактерия колонизирует кишечник млекопитающего, она эволюционирует двумя путями:

1. Путем накопления ряда метаболических мутаций, изменяющих способность потреблять питательные вещества.
2. Путем интеграции генетического материала от других микроорганизмов.

В ходе исследования появились генетически и функционально разные варианты E. coli, обладающие разной способностью адаптироваться к различным средам. Эти версии одной и той же бактерии сосуществуют в кишечнике хозяина на протяжении миллионов поколений. Однако это сосуществование может быть нарушено за счет преимущественного закрепления бактерий с определенными характеристиками, особенно если они несут полезные мутации. Это произошло у всех мышей, у которых a priori в кишечнике присутствовал резидентный штамм E. coli. Конкуренция заставила оба штамма эволюционировать. В частности, инвазивный штамм приобрел генетический материал от резидентного с помощью бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии).

Когда бактерии стабильно интегрируют генетический материал вируса, они становятся более приспособленными для выживания в кишечнике. Однако если вирус размножается, они в итоге погибают. Исследователи показали, что, что любопытно, через 5–16 месяцев после колонизации кишечника хозяина инвазивная E. coli гибнет реже, поскольку подавляет размножение вируса. Это означает, что бактерии эволюционировали, чтобы «одомашнить» бактериальные вирусы, сохраняя приносимые ими преимущества, но избавляясь от связанных с ними затрат.

«Было по-настоящему захватывающе обнаружить, что бактерии используют так много разных процессов для эволюции в кишечнике», — говорит Нелсон Фразан, постдок в IGC и первый автор статьи. Эта работа прокладывает путь к прогнозированию эволюции бактерий в наших телах. «Понимая, как бактерии эволюционируют в долгосрочной перспективе, мы могли бы предвидеть и даже предотвратить устойчивость к антибиотикам или колонизацию кишечника патогенными бактериями, которые мешают успеху некоторых методов лечения и могут привести к смерти», — заключает исследователь.

Исследование опубликовано в Nature Communications.