Роль случайности в устойчивости бактерий к антибиотикам
Исследователи из лаборатории Константина Северинова показали, как случайность влияет на приобретение и удержание бактериальными клетками небольших молекул ДНК — плазмид — несмотря на противодействие системы защиты CRISPR-Cas. Гены, переносимые плазмидами, обеспечивают бактериям устойчивость к антибиотикам. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Плазмиды — это небольшие кольцевые молекулы ДНК. Попадая в бактериальную клетку, они используют её ресурсы для репликации и передачи дочерним клеткам. Бактерии могут бороться с плазмидами с помощью иммунной системы CRISPR-Cas.
Ранее считалось, что плазмиды, распознанные CRISPR-Cas, либо быстро уничтожаются, либо приобретают мутации, делающие их невидимыми для системы.
«Мы доказали, что это не всегда так, — говорит ведущий автор исследования, аспирант Сколтеха Виктор Мамонтов. — CRISPR-Cas может уничтожать ограниченное количество молекул плазмиды в единицу времени. Поскольку ДНК плазмид постоянно копируется, для каждой уникальной комбинации плазмиды и нацеленного на неё CRISPR-Cas существует точка, где скорости этих двух противоположных процессов уравновешивают друг друга. Если такое равновесие достигнуто, плазмида может оставаться в клетке длительное время, даже в присутствии CRISPR-Cas».
Математическое моделирование показало, что в бактериальной популяции всегда есть небольшой процент клеток, которым удаётся достичь этого равновесия.
«Шансы, что одна молекула плазмиды, попавшая в клетку, избежит уничтожения CRISPR-Cas, ничтожно малы. Но если ей "повезёт", она может реплицироваться и увеличить свою численность до того, как будет уничтожена белком Cas. Это не только позволяет плазмидам сохраняться в клетках с CRISPR-Cas, но и даёт им время для приобретения мутаций, делающих плазмиду полностью устойчивой».
На уровне популяции клеток (например, в колонии на чашке Петри) был обнаружен ещё один неожиданный эффект. В среде с антибиотиками подавляющее большинство клеток в колонии не содержали плазмид с генами устойчивости. Они выживали благодаря небольшой горстке клеток, достигших баланса между копированием плазмид и их уничтожением CRISPR-Cas. Именно эти редкие клетки помогали остальной популяции выжить в присутствии антибиотика.
«По-видимому, устойчивые к антибиотикам клетки помогают другим, создавая вокруг себя безопасную зону, и небольшого числа клеток, несущих плазмиды, достаточно для выживания всей популяции», — отмечает Мамонтов.
Способность плазмид входить в равновесие с защитой CRISPR-Cas делает бактериальную популяцию более разнообразной и устойчивой: в любой момент небольшое число клеток может нести плазмиду, которая может оказаться полезной при изменении условий среды и даже спасти популяцию от вымирания.
Предложенная авторами модель учитывает эффекты репликации плазмид как на уровне отдельной клетки, так и на уровне популяции. Это делает её полезной для разработки методов удаления плазмид устойчивости к антибиотикам из патогенных бактерий с помощью адаптированного CRISPR-Cas.