Названы три ключевых фактора эволюционного успеха патогенных бактерий

Абстракция на тему «Эволюция бактерий».

Бактерии умеют создавать сложные химические соединения, которые помогают им бороться с конкурентами и совершенствовать механизмы атаки на организмы-мишени. Некоторые из этих веществ впоследствии становятся основой лекарств, прежде всего антибиотиков. Ученые выяснили, как микроорганизмам удается разнообразить «химическое оружие» и почему эволюция не всегда идет по пути максимальной эффективности.

Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution. Команда под руководством Хельге Боде из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка и Георга Хохберга из Марбургского университета изучила GameX-пептиды (GXP) — инсектицидные соединения, которые производят бактерии Xenorhabdus и Photorhabdus.

Эти микроорганизмы участвуют в замысловатой трехсторонней паразитической схеме. Они изначально живут в кишечнике нематод, которые заражают личинок насекомых. После проникновения паразитических червей в организм жертвы бактерии высвобождаются и помогают ее уничтожить с помощью токсичных пептидов. Но насекомые способны приобретать устойчивость, поэтому бактериальное оружие тоже меняется.

В основе производства пептидов лежат крупные ферментные комплексы — нерибосомальные пептидсинтетазы. Их можно представить как молекулярный конвейер: отдельные модули последовательно добавляют аминокислоты, собирая готовое соединение. При этом эволюция таких комплексов отличается от привычных изменений отдельных участков ДНК: они могут обмениваться целыми фрагментами генов, создавая новые комбинации модулей.

Исследователи выявили 49 различных соединений GXP, в том числе укороченные циклические тетрапептиды и удлиненный гексапептид. Некоторые бактериальные линии независимо друг от друга пришли к одинаковым или очень похожим структурам. Чтобы восстановить историю этих изменений, ученые реконструировали общего предка фермента GxpS: им пришлось восстановить около 15 тысяч пар оснований ДНК, собрать из них функциональный ген и заставить его работать в кишечной палочке Escherichia coli.

Эволюция не всегда выбирает лучшее

Эксперименты показали, что разнообразие токсинов объясняется сразу тремя факторами: естественным отбором, генетическим дрейфом и особенностями рекомбинации — обмена участками генов.

Первый механизм помогает закрепляться изменениям, повышающим убойность токсина в отношении определенных насекомых. Эксперименты с четырьмя видами насекомых подтвердили, что разные варианты GXP убивают жертв с неодинаковой эффективностью.

Второй фактор — генетический дрейф, то есть случайное закрепление изменений, которые не дают очевидного преимущества. Он особенно важен из-за жизненного цикла бактерий: каждую нематоду первоначально заселяет лишь небольшое число бактериальных клеток. Такие узкие места сокращают популяцию и усиливают роль случайности.

Наконец, обмен генетическими фрагментами происходит не равновероятно. Модули, похожие по последовательности, чаще обмениваются друг с другом. Поэтому бактерии преимущественно комбинируют уже имеющиеся варианты аминокислот, хотя теоретически доступен гораздо более широкий набор — до 300 вариантов. Повторные обмены дополнительно усиливают сходство модулей и повышают вероятность новых обменов между теми же участниками.

Получается своеобразный эволюционный туннель: некоторые соединения возникают независимо не обязательно потому, что они лучше остальных, а потому, что их проще собрать из доступных генетических деталей.

От яда для насекомых — к антибиотикам будущего

Практическая ценность открытия заключается в возможности искать новые биологически активные соединения. Многие известные антибиотики также относятся к нерибосомальным пептидам. Если в истории их происхождения скрыты аналогичные обмены генами, ученые могут обнаружить ранее неизвестные варианты веществ — потенциально способные преодолевать существующую устойчивость бактерий и других вредоносных организмов к лекарствам или находить еще какую-то тактику поражения мишеней.

Исследование не означает, что новый антибиотик уже создан или доказал эффективность против устойчивых инфекций. Оно предлагает способ лучше понимать эволюцию природных соединений и целенаправленно искать перспективные молекулы.

Об удивительном механизме сотрудничества заклятых врагов — бактерий и фагов — читайте в материале Hi-Tech Mail.