Неспокойный мир бактерий

Любая ниша, заселенная различными видами бактерий, — это настоящее поле битвы в бесконечной конкурентной борьбе отдельных клеток за ресурсы и «место под солнцем». Оружием в этой борьбе часто служат соединения с антибактериальной активностью, которые продуцируют сами же бактерии для подавления роста клеток-конкурентов. Как правило, для синтеза подобных метаболитов необходим целый кластер биосинтетических генов. Наиболее часто в них закодированы такие ферменты, как поликетидсинтазы и нерибосомные пептидсинтетазы . Эти огромные многобелковые комплексы осуществляют синтез разнообразных биологически активных пептидов.

О пептидах, которые синтезируются нерибосомными пептидсинтетазами, можно прочесть в статье «Антибиотики прямо под нашим носом» [1].

Некоторые биологически активные пептиды бактерий синтезируются и на рибосомах, но после трансляции подвергаются многочисленным химическим модификациям. В частности, именно так образуются бактериоцины — одно из самых многочисленных семейств антибактериальных пептидов .

О том, что такое антибактериальные пептиды и как они работают, можно прочитать в нашей статье «Антимикробные пептиды — возможная альтернатива традиционным антибиотикам» [2].

Бактерии, несущие кластеры биосинтетических генов, наиболее многочисленны в почве, однако их можно найти и в других местообитаниях — например, кишечнике человека. Возможен ли «обмен вооружением» между бактериями? Как бактерия может получить абсолютно новый для нее кластер биосинтетических генов?

Вообще говоря, в микробном мире очень распространен горизонтальный перенос генов, то есть передача генетического материала между двумя клетками не в ходе деления (от материнской клетки к дочерним), а с помощью агентов внешней среды . Например, бактерии могут получать генетический материал, просто поглощая плавающие неподалеку плазмиды (небольшие кольцевые молекулы ДНК). Еще один путь горизонтальной передачи генов — с помощью вирусов: фагов, встраивающихся в геном бактерии-хозяина и способных при вырезании из него невзначай прихватить кусочек бактериальной ДНК, который затем может быть вставлен в геном другой бактерии.

Подробнее о горизонтальном переносе генов читайте в статье «Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация “общества” бродяжек и домоседов» [3].

Как показывает недавнее исследование, опубликованное в журнале Current Biology, иногда кластеры биосинтетических генов находятся в составе профагов — фаговых геномов, интегрированных в бактериальную хромосому [6]. Стало быть, умеренные фаги, способные встраиваться в геном, помимо переносчиков генов, кодирующих факторы вирулентности и токсины, могут служить и настоящими «оруженосцами», приносящими своим хозяевам гены биосинтеза пептидных антибиотиков.

Стоит отметить, что примеры переноса кластеров биосинтетических генов посредством фагов были известны и ранее. Некоторые штаммы сенной палочки Bacillus subtilis несут в своем геноме профаг SPβ, который кодирует антибактериальный пептид под названием субланцин (рис. 1) [4], [5]. Бактерии, полностью лишенные профага SPβ, генов биосинтеза субланцина или генов, обеспечивающих устойчивость к субланцину, быстро проигрывают в конкурентной борьбе клеткам, обладающим полным SPβ (тут стоит отметить, что в состав кластеров биосинтетических генов также, как правило, входит ген, продукт которого защищает бактерию, производящую антибиотик, от его действия). Оставалось непонятным, является ли случай с SPβ не более чем любопытным курьезом, или же передача кластеров биосинтетических генов в составе фагов — широко распространенная практика у бактерий.

Правило или исключение?

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы исследования сначала проверили, насколько часто кластеры биосинтетических генов обнаруживаются в фаговых геномах [6]. Оказалось, что ими обладает ничтожно малая доля фагов — всего 0,07% от 10 063 проанализированных геномов из базы PATRIC 3.6.2. Практически все находки были сделаны в геномах умеренных фагов, которые, заражая бактерию, не превращают ее в фабрику по производству вирусных частиц немедленно, обеспечивая быструю смерть, а встраиваются в бактериальную хромосому, становясь профагами, и до поры до времени «помалкивают». Таких фагов также называют лизогенными (а фагов, быстро убивающих зараженную клетку, — литическими). Только пять фаговых кластеров биосинтетических генов были найдены у литических фагов. Действительно, зачем литическому фагу тащить в своем геноме гены, полезные для бактерии, если он все равно быстро умерщвляет зараженную клетку? Важно отметить, что выявленные фаговые геномы содержали только один кластер биосинтетических генов, и не более (как мы увидим в дальнейшем, для профагов ситуация не столь однозначна).

Следующим этапом исследования стал анализ геномов профагов. Чтобы получить геномы профагов, авторы «пропустили» бактериальные геномы, содержащиеся в базе Национальных институтов здравоохранения США (NCBI), через специальную программу, определяющую наличие и границы профагов в геномах бактерий. Более половины, точнее, 67,5% от всех проанализированных бактериальных геномов содержали как минимум один профаг. Из найденных профагов только 3% имели хотя бы один кластер биосинтетических генов. Больше 90% профагов, несущих как минимум один кластер биосинтетических генов, были найдены в пределах 11 родов бактерий, возможно, в силу того, что геномов этих бактерий в базе данных непропрорционально много по сравнению с другими родами бактерий. К этим родам относятся, в частности, Escherichia, Bacillus, Listeria, Haemophilus, Lactobacillus и другие комменсальные, то есть мирно сосуществующие с человеком, и патогенные для человека бактерии.

В большинстве случаев в составе профага удавалось выявить только один кластер биосинтетических генов. В некоторых случаях профаг содержал два кластера, а у профага в геноме Alkaliphilus metalliredigens — три идентичных кластера. В целом, можно заключить, что в профагах кластеры биосинтетических генов встречаются существенно чаще, чем в свободных фаговых геномах. Стоит отметить, что у некоторых видов, таких как Listeria monocytogenes, нет собственных кластеров биосинтетических генов, и их единственный источник — это интегрированные в геном профаги, то есть в плане синтеза антимикробных пептидов такие бактерии полностью зависимы от фагов.

Сходные ли антибактериальные вещества кодируют профаговые кластеры биосинтетических генов? Предсказание с помощью инструмента antiSMASH показало, что почти все фаговые биосинтетические кластеры кодируют бактериоцины, однако есть и некоторые исключения. Два кластера, найденные в двух разных геномах Pseudomonas aeruginosa, кодируют рецептор группы сидерофоров, сигма-фактор σ70 бактериальной РНК-полимеразы, а также содержат фрагмент третьего кластера, ответственного за синтез пиовердина — синтетического сидерофора бактерий рода Pseudomonas [7]. У двух профагов Mycobacterium нашли кластеры биосинтеза эктоина, задействованного в осмотической адаптации [8]. А у одного профага Roseobacter обнаружили кластер биосинтеза гомосеринлактона — вещества, отвечающего за межклеточную коммуникации бактерий [9].

Что покажет эксперимент?

На основе описанных выше результатов биоинформатического анализа хочется предположить, что лизогенные фаги могут передавать кластеры биосинтетических генов бактериям, в геном которых они встраиваются. Авторы работы проверили это предположение экспериментально.

Они работали с двумя очень близкими изолятами B. subtilis: в геноме изолята MB8_B7 содержится уже упоминавшийся профаг SPβ, кодирующий субланцин, а в геноме изолята P9_B1 кластеров биосинтетических генов нет. По сути, единственное различие между указанными изолятами состоит именно в наличии SPβ в геноме одного из них.

Удаление SPβ из клеток MB8_B7 приводило к тому, что они проигрывали в конкурентной борьбе исходному изоляту MB8_B7. Кроме того, в среде, где рос исходный изолят, детектировался субланцин, а в среде изолята, лишенного SPβ, — нет.

Далее ученые выделили вирионы SPβ из культуры MB8_B7, проверили нуклеотидную последовательность содержащихся в них геномов с помощью нанопорового секвенирования и заразили фагом SPβ клетки P9_B1 (рис. 2а). Как и можно было ожидать, зараженные клетки P9_B1 вытесняли клетки изолята-предшественника. Примечательно, что передача SPβ происходила и при совместном культивировании MB8_B7 и P9_B1. Клетки P9_B1, несущие вставки SPβ, обнаруживались уже спустя сутки совместного культивирования с MB8_B7 (рис. 2б). Таким образом, лизогенные фаги действительно могут переносить кластеры биосинтетических генов между бактериальными клетками.

Роль фагов в передаче кластеров биосинтетических генов была дополнительно подкреплена экспериментами по удалению или внедрению сайтов интеграции SPβ в геноме B. subtilis. В клетках, лишенных сайта интеграции, не может успешно пройти лизогения, поэтому они не могут приобрести способность к продукции субланцина даже при совместном культивировании с клетками, несущими профаг SPβ.

Подводя итог, можно сказать, что инфицирование фагом — это не всегда плохо для бактерии. Иногда заражение лизогенным фагом может дать бактерии временное селективное преимущество перед другими клетками. Почему временное? Потому что очень скоро остальные клетки будут инфицированы тем же фагом, и «выигрыш» сойдет на нет. Что поделать, жизнь бактерий вообще нелегкая: это бесконечная борьба друг с другом, с вирусами, с антибиотиками, которые им подсовывает человек или соседняя клетка, и с далеко не всегда гостеприимной окружающей средой.

Литература

1. Антибиотики прямо под нашим носом;
2. Антимикробные пептиды — возможная альтернатива традиционным антибиотикам;
3. Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов;
4. Katharina Kohm, Robert Hertel. (2021). The life cycle of SPβ and related phages. Arch Virol. 166, 2119-2130;
5. Chunyu Wu, Subhanip Biswas, Chantal V. Garcia De Gonzalo, Wilfred A. van der Donk. (2019). Investigations into the Mechanism of Action of Sublancin. ACS Infect. Dis.. 5, 454-459;
6. Anna Dragoš, Aaron J.C. Andersen, Carlos N. Lozano-Andrade, Paul J. Kempen, Ákos T. Kovács, Mikael Lenz Strube. (2021). Phages carry interbacterial weapons encoded by biosynthetic gene clusters. Current Biology;
7. S. Wendenbaum, P. Demange, A. Dell, J.M. Meyer, M.A. Abdallah. (1983). The structure of pyoverdine Pa, the siderophore of Pseudomonas aeruginosa. Tetrahedron Letters. 24, 4877-4880;
8. Naomi Ofer, Marina Wishkautzan, Michael Meijler, Ying Wang, Alexander Speer, et. al.. (2012). Ectoine Biosynthesis in Mycobacterium smegmatis. Appl. Environ. Microbiol.. 78, 7483-7486;
9. Alison Buchan, April Mitchell, W. Nathan Cude, Shawn Campagna. (2016). Acyl-Homoserine Lactone-Based Quorum Sensing in Members of the Marine Bacterial Roseobacter Clade: Complex Cell-to-Cell Communication Controls Multiple Physiologies. Stress and Environmental Regulation of Gene Expression and Adaptation in Bacteria. 225-233;
10. Colin R Harwood, Jean-Marie Mouillon, Susanne Pohl, José Arnau. (2018). Secondary metabolite production and the safety of industrially important members of the Bacillus subtilis group. FEMS Microbiology Reviews. 42, 721-738.