Бактериофаги (бактериальные вирусы) — это наиболее распространенные организмы на нашей планете. В прибрежных тропических водах концентрация фаговых частиц может достигать 10⁷ на миллилитр жидкости, что на порядок больше количества бактерий, которых они заражают, в этих же биотопах. Всего же число фаговых частиц в биосфере может достигать 10³⁰ штук [1], [2]. Такое огромное количество индивидуальных организмов не может не быть мощнейшим фактором в экологии сообществ и эволюции биосферы в целом. Так, например, несмотря на то, что гены бактерий при заражении фагами попадают в новые фаговые частицы лишь один раз на каждые 10⁸ инфекций, генетическая трансдукция (горизонтальный перенос бактериальных генов фагами) происходит в океане с частотой примерно 20 миллионов миллиардов раз в секунду [3].

Разумеется, и наши организмы, населенные большим количеством бактерий, не могут при этом не нести в себе существенного числа бактериофагов. В наших телах они обитают в основном на поверхности кожи и слизистых оболочек, в легких, а также во рту и в остальных частях желудочно-кишечного тракта.

В организме человека бактериальных клеток чуть ли не в 10 раз больше, чем наших собственных [4]. Примерно 2–4 килограмма нашего веса приходится на долю микробиома — микробного сообщества, для которого мы являемся средой обитания. Его состав и общее состояние является важным фактором нашего здоровья — какие-то бактерии нам помогают (например, переваривать пищу), а какие-то вызывают заболевания. Нам важно контролировать свой микробиом, поддерживая полезных микроорганизмов и репрессируя вредных. И мы, разумеется, не одиноки в этой своей потребности, — эволюция механизмов взаимодействия многоклеточных организмов с микробами началась с появлением многоклеточных. И слизь — одно из первых эволюционных изобретений в этой области. Практически все животные так или иначе используют слизь в качестве барьера между окружающей средой и тканями. В составе слизи можно секретировать антитела, гидролитические белки и прочие факторы, ограничивающие рост опасных бактерий. А недавние исследования показывают, что слизь может стать отличной средой для налаживания уникального симбиоза между многоклеточными животными и бактериофагами.

Форест Роуэр из Университета Калифорнии в Сан-Диего занимается изучением состава и свойств слизей разных животных (преимущественно морских) на протяжении нескольких лет. Его группе удалось обнаружить, что количество бактериофагов в этих субстанциях превышает их количество в окружающей среде приблизительно в четыре раза. А в своей последней работе коллективу удалось продемонстрировать, как фаги взаимодействуют с компонентами слизи и почему это взаимодействие может быть основой взаимовыгодного симбиоза. Выяснилось, что отдельные поверхностные белки фаговых капсидов, своей структурой напоминающие иммуноглобулины, в состоянии присоединяться к гликанам, входящим в состав основного компонента слизи — муциновых комплексов. Муцин — это гликопротеид, содержащий помимо белковой основы большое количество разветвленных олигосахаридов, которые чрезвычайно разнообразны по своему составу и длине, что дает им возможность взаимодействовать с широким диапазоном разных бактериофагов [5].

За связывание с гликанами муцина у фагов отвечают белки, имеющие гипервариабельные домены, своей структурой напоминающие иммуноглобулины. Такие белки в капсидах фагов встречаются довольно часто, на что указывают, в частности, метагеномные исследования генетического материала фагов человеческого кишечника [6]. Основываясь на этих данных, группа Джереми Барра и Фореста Роуэра предлагает модель, согласно которой многоклеточные животные и фаги коэволюционировали, в результате чего среди механизмов иммунного ответа на бактериальные инфекции появился и некий «фаговый иммунитет», работающий в слизистых оболочках. Сами фаги от такого симбиоза тоже выигрывают, поскольку получают возможность заражать бактерии, которых на слизистых оболочках бывает в избытке, и эффективно размножаться.

Публикация Барра и Роуэра нашла живой отклик в сообществе микробиологов и вирусологов. Ротем Сорек, микробиолог из Института Вейсмана в Реховоте, называет пример такого симбиоза уникальным, а его коллега из Университета Пеннсильвании в Филадельфии Фредерик Бушмен находит идею о том, что фаги могут быть компонентом врожденного иммунитета, оригинальной и вдохновляющей. Сам Джереми Барр считает, что фаги стали населять слизистые оболочки самых разных организмов с момента возникновения слизи в результате эволюции.

По материалам Nature News [7].

Литература

1. S. Chibani-Chennoufi, A. Bruttin, M.-L. Dillmann, H. Brussow. (2004). Phage-Host Interaction: an Ecological Perspective. Journal of Bacteriology. 186, 3677-3686;
2. Nicholas H Mann. (2005). The Third Age of Phage. PLoS Biol. 3, e182;
3. Bushman F. Lateral DNA Transfer: Mechanisms and Consequences. CSHL Press, 2002. — 448 p.;
4. Willey J., Sherwood L., Woolverton C. Prescott’s Microbiology 8^th Edition. Mc Graw, 2010;
5. J. J. Barr, R. Auro, M. Furlan, K. L. Whiteson, M. L. Erb, et. al.. (2013). Bacteriophage adhering to mucus provide a non-host-derived immunity. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110, 10771-10776;
6. S. Minot, S. Grunberg, G. D. Wu, J. D. Lewis, F. D. Bushman. (2012). Hypervariable loci in the human gut virome. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109, 3962-3966;
7. Ed Yong. (2013). Viruses in the gut protect from infection. Nature.