Ученые открыли ключевой ген, благодаря которому бактерии могут захватывать ДНК вирусов. При этом они быстрее растут, адаптируются и приобретают важную способность образовывать биопленки.
«Выражаясь точнее, бактерии не захватывают генетический материал, а утилизируют его из вирусов, которыми заражаются», -- объясняет Томас Вуд (Thomas K. Wood), профессор отделения химической инженерии Техасского университета агрокультуры и машиностроения (Texas A&M University's Artie McFerrin Department of Chemical Engineering). Вирусы, инфицирующие бактерии, называются бактериофагами или просто фагами. Они впрыскивают свою ДНК в бактериальную клетку, используя свой хвост словно иглу шприца. Внутри бактерии ДНК фага многократно размножается. Затем бактерия погибает, а фаги одеваются в оболочку и выходят на поиски новых клеток-хозяев.
Бактерии используют своих паразитов
Томас Вуд изучал взаимоотношения бактерии E. Coli (кишечной палочки) с так называемыми профагами. Профаг, или латентный фаг, также проникает в бактериальную клетку, но в отличие от истинного бактериофага не начинает бесконтрольно размножаться и не убивает клетку. Когда ДНК фага оказывается внутри клетки, бактерия встраивает ее в свой геном. И такая добавка вирусного генома к своему собственному, очевидно, идет ей на пользу. E. Coli получает от фага 25 генов, которые ускоряют ее рост. На той же самой питательной среде она начинает расти в пять раз быстрее, чем без фага.
Становится понятно, почему бактерия, как правило, содержит 10-20% генов, не принадлежащих ее собственному геному, -- она набрала их от фагов. Эта вирусная ДНК дает бактерии дополнительные возможности: она позволяет ей лучше приспосабливаться к новой среде. Какие-то из новых генов вполне могут оказаться полезными при смене среды обитания. Так бактерия получает возможность распространяться в пространстве. Необходимость возникает, когда запасы питательных веществ вокруг бактерии истощаются и нужно искать их в другом месте. Или же когда физические условия, например температура, резко меняются и становятся неподходящими для жизни.
Томас Вуд установил, что бактерия может, используя определенные механизмы регуляции, или оставлять при себе вирусную ДНК, или избавляться от нее. И в том и в другом случае она получает плюсы и минусы. Вирусная ДНК позволяет бактерии быстрее расти, но одновременно снижает ее мобильность – способность к самостоятельному передвижению.
Сообщество дает новые возможности
При дальнейшем изучении этой проблемы Вуд и его коллеги установили, что вирусная ДНК влияет на способность бактерий переходить к другой жизненной форме, а именно формировать биопленки. Это тонкий слой, образованный сообществом соединенных друг с другом бактериальных клеток. Биопленки появляются на разнообразных живых и неживых поверхностях, в том числе на камнях, продуктах питания, зубах, стенке кишечника, поверхности биомедицинских имплантатов, например искусственных суставов.
В составе таких колоний бактерии работают эффективнее и приобретают дополнительные свойства, например инфекционность. Специалисты Национального института здоровья (National Institutes of Health) утверждают, что 90% человеческих инфекций вызывает бактерии именно в форме биопленок. А по мнению Центра контроля заболеваний (Centers for Disease Control), с биопленками связано 65% внутрибольничных инфекций.
Белок контроля над вирусом
Команда Вуда раскрыла и генетический механизм, который обеспечивает поглощение бактерией вирусного генома. Бактериальный белок под названием Hha способен определять, встроятся ли вирусные гены в белок или нет. Когда ген Hha включается, бактерия избавляется от вирусной ДНК. При этом она теряет в росте и возможности образовать биопленки, но приобретает большую подвижность. Если же ген Hha не работает, бактерия принимает вирусную ДНК, теряет подвижность, но быстрее растет и образует биопленки.
«Если мы поняли, как формируются биопленки, мы может постараться воздействовать на процесс, чтобы ускорить пленкообразование там, где это полезно, и затормозить там, где вредно, -- говорит Вуд. – Мы нашли регулятор, белок Hha, который контролирует гены образования биопленок. Теперь надо понять, как влиять на активность этого гена. Задача будущего – создавать биопленки биоинженерным способом».
Ученые считают, что смогут использовать полезные биопленки в самых разных областях -- медицине, получении биотоплива или, к примеру, в регенерации почв. Для последнего, например, надо сформировать биопленки на корнях растений и высадить их в загрязненную почву, а сообщества бактерий будут ее очищать.
Статья опубликована в журнале International Society for Microbial Ecology Journal.
