Бактерии стреляют в конкурентов самонаводящимися вирусными «ракетами»

За миллионы лет до того, как люди задумались над уничтожением бактерий, вирусы уже вовсю делали это. Бактериофаги (или просто «фаги») были открыты совершенно случайно. Несколько микробиологов практически одновременно обнаружили на газонах (поверхности, где расселяются колонии бактерий) абсолютно стерильные пятна. Как оказалось, их расчистили особые вирусы-фаги, питающиеся патогенными бактериями.


Сейчас специально модифицированные фаги считаются самыми перспективными способами борьбы с болезнетворными микроорганизмами. Особенно с теми, у которых сформировалась устойчивость к антибиотикам.

Но как оказалось, люди были далеко не первыми, кто привлек фагов на целенаправленную борьбу с бактериями. В последнее время исследователи зафиксировали ряд случаев, когда сами бактерии сохраняли фрагменты вирусов в своих ДНК, превращая их в оружие для уничтожения конкурентов. И, судя по расшифровке генома, бактерии ведут вирусные войны уже очень давно.

«Любимый» вирус

Открытие сделали немецкие ученые, когда решили изучить популяцию бактерий, связанных с дикорастущим германским растением. Исследуемая популяция включала в себя различных представителей рода Pseudomonas, которые являются опасными патогенами для растений.

При этом микробиологи обнаружили достаточно странную ситуацию. Как правило, на пораженном организме доминирует один штамм, подавив всех остальных соперников. В данном случае популяция Pseudomonas включала в себя большое количество разных штаммов, но они как-то уживались между собой.

Исследователей этот факт очень заинтересовал, и они извлекли более 1500 геномов из изучаемой бактериальной популяции. Выяснилось, что в 99,99% геномов имелись фрагменты вируса, правда, неполноценного, если сравнивать с действующим вирусом. Скорее всего, когда-то вирус проник в бактерию, встроился в ее ДНК, но был каким-то образом отключен и теперь находится в геноме.

Наличие отключенных вирусов в ДНК — вообще не удивительно. Даже у нас в геноме есть значительное количество таких «закладок». Интересно другое: обычно бактерии крайне трепетно относятся к собственной ДНК и достаточно быстро выбрасывают из нее чужеродные фрагменты.

А тут ситуация была совершенно обратная. Вирус в популяции бактерий был один и тот же, встроен у всех микроорганизмов в одно и то же место, и гены, из-за которых он не работал, везде отсутствовали те же самые. В итоге ученые назвали вариант вируса, сидящего в ДНК бактерий, VC2.

Фаг без головы

Большинство фагов имеют стандартную «внешность»: сверху — крупная «голова», где содержится генетический материал, снизу — «ножки», которыми фаг крепко вцепляется в свои жертвы. Как только происходит контакт, тело вируса сокращается, и генетическая информация начинает «перекачиваться» в бактерию.



У VC2 из-за некоторых отключенных генов нет «головы» с ДНК, и он уже не способен «заражать» бактерии. Вирус больше похож на иглу с пружинным приводом. Он цепляется к чужой бактерии, пробивая ее клеточную мембрану. В результате образуется дыра в цитоплазме, через которую вытекает внутриклеточная жидкость, и бактерия таким образом погибает.

У микробиологов вирусы, подобные VC2, получили название тайлоцины. Это своего рода самонаводящиеся ракеты, которыми бактерии обстреливают друг друга. Самое интересное, что тайлоцины не убивают всех подряд, а, напротив, действуют избирательно, уничтожая определенные виды бактерий.

И 2000 лет война…

Чтобы окончательно убедиться, что VC2 относится к тайлоцинам, ученые вырастили несколько бактерий, удалили из них лишние белки и увидели в микроскоп безголовых фагов. Они не действовали на штамм, который их произвел, зато отлично убивали бактерии других штаммов в той же популяции. Напоследок микробиологи удалили в VC2 несколько важных генов, после чего тайлоцин перестал уничтожать другие бактерии.

В результате серии направленных тестов было выявлено, что устойчивость VC2 из поколения в поколение придает особая мутация, которая не дает вирусу образовывать сложные молекулы сахара на поверхности белков. В то же время его «ножки» закодированы так, чтобы максимально крепко цепляться за подобные сахара на чужеродных бактериях.

Исследователи говорят, что, по сути, перманентная борьба бактерий — это война всех против всех. В этой бесконечной битве каждый штамм бактерий является и жертвой, и агрессором. Представьте себе старый американский фильм, где в баре дерется целая толпа людей, но не стенка на стенку, а хаотично: первый встречный со всего размаху отвешивает оплеуху случайному соседу.

Вот так же и штаммы бактерий стреляют в конкурентов кусочками вирусов, надеясь получить хотя бы временное преимущество. Такие войны с применением тайлоцинов длятся очень долго. Изучив старые образцы бактерий, ученые обнаружили, что многие варианты вируса имеют возраст 200 лет и более.