Эволюция микробных «читеров» в условиях дефицита железа: исследование раскрывает их историю

В микробных сообществах химические вещества, секретируемые в среду, создают возможности как для кооперации, так и для эксплуатации, порождая микробных «читеров». Эти организмы получают выгоду от секретируемых соединений, не неся метаболических затрат на их производство.

В новой статье в Molecular Biology and Evolution исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон и Университета Вандербильта раскрыли эволюционную историю молекул для захвата железа у дрожжей, проливая свет на динамику кооперации и конкуренции в сообществах с дефицитом железа.

Железо часто является лимитирующим ресурсом. Чтобы преодолеть его нехватку, микроорганизмы используют сидерофоры — молекулы с высоким сродством к железу. Они синтезируются внутри клетки, секретируются, связывают железо, а затем комплекс импортируется обратно. Читеры могут использовать железосвязанные сидерофоры, произведенные другими, не тратя энергию на их синтез.

Исследовательская группа под руководством Криса Хиттингера обнаружила, что дрожжи клады Wickerhamiella/Starmerella (W/S) могут производить сидерофор энтеробактин. Гены для его синтеза были горизонтально перенесены от древней бактерии к предку W/S дрожжей.

Однако у этих дрожжей не было очевидного способа реимпортировать железосвязанный энтеробактин. «Мы не нашли в их геномах бактериальных генов, кодирующих транспортер энтеробактина», — говорит Лян Сунь, ведущий автор статьи.

Чтобы решить эту загадку, команда исследовала геном Starmerella bombicola и идентифицировала ген ENB1 как ключевой для захвата железа, связанного с энтеробактином. Удивительно, но ENB1 — это древний грибной ген, который, вероятно, насчитывает сотни миллионов лет и предшествует разделению линий Basidiomycota и Ascomycota.

Дальнейший анализ показал сложную историю ENB1 у дрожжей. Исследователи предполагают, что ENB1 был горизонтально перенесен от предка клады W/S к древней линии Saccharomycetales (группа, включающая Saccharomyces cerevisiae). Этот перенос, наряду с последующими дупликациями и потерями генов, сформировал мозаичное распределение способности утилизировать энтеробактин среди дрожжей.

Выводы имеют несколько важных следствий:

1. Поскольку способность захватывать энтеробактин, по-видимому, предшествовала способности его производить у W/S дрожжей, предки этой клады, вероятно, были читерами, получавшими выгоду от производства энтеробактина другими микробами в их среде.
2. Позже клада W/S приобрела гены биосинтеза энтеробактина от бактерии в экологическом контексте, где быть производителем стало выгоднее, чем читером. Авторы предполагают, что это произошло в кишечнике насекомых, где конкуренция за железо между бактериями, дрожжами и хозяином может быть ожесточенной.
3. Сохранение ENB1 у читеров, таких как S. cerevisiae, «может быть связано с экологическими нишами, где бактериальные и грибные сожители производят энтеробактин в ответ на дефицит железа». И наоборот, потеря ENB1 могла произойти у дрожжей, обитающих в средах с относительно высокой доступностью железа или где отсутствуют производители энтеробактина.

Для полного понимания механизмов интеграции грибных и бактериальных генов энтеробактина у W/S дрожжей необходимы дополнительные исследования. По словам Суня, эти гены должны быть строго скоординированы, поскольку «несбалансированная секреция и импорт энтеробактина могут препятствовать захвату железа и приводить к дефектам роста».

Несмотря на трудности, эта система предлагает уникальную модель для дальнейшего изучения эволюционной динамики транспортеров сидерофоров у дрожжей и их роли в кооперации и «читерстве» внутри микробных сообществ.