Бактерии «взрываются», чтобы распространять устойчивость к антибиотикам

Слева: флуоресцентная микроскопия клеток бактерии C. crescentus, производящих частицы GTA (клетки модифицированы для свечения зелёным при производстве GTA). Справа: томограмма криоэлектронной микроскопии, показывающая «поперечный разрез» одной клетки C. crescentus, производящей частицы GTA (пурпурный и жёлтый). Оболочки бактерии показаны синим, голубым и зелёным. Видна гранула запаса питательных веществ (серый). Рибосомы (фабрики белков) показаны оранжевым. Автор: доктор Эмма Бэнкс.

Учёные выяснили новые детали о том, как бактерии обмениваются генами, включая те, что обеспечивают устойчивость к противомикробным препаратам (УПП) — растущую угрозу глобальному здоровью. Исследователи из Центра Джона Иннеса изучили необычные частицы, известные как агенты переноса генов (GTA).

GTA похожи на бактериофаги (вирусы, поражающие бактерии), но они больше не являются вредоносными захватчиками. Вместо этого они произошли от древних вирусов, которые бактерии адаптировали и взяли под свой контроль.

Эти частицы действуют как крошечные курьеры, подбирая фрагменты ДНК из одной бактериальной клетки и доставляя их другим. Этот процесс, называемый горизонтальным переносом генов, позволяет бактериям быстро делиться полезными признаками, включая гены, помогающие выжить при лечении антибиотиками.

Ключевой этап этого процесса — лизис клетки-хозяина, её разрыв для высвобождения частиц GTA. До сих пор учёные не до конца понимали, как эти частицы выходят из клеток.

В исследовании, опубликованном в Nature Microbiology, команда использовала метод скрининга на основе глубокого секвенирования, чтобы определить гены, участвующие в активности GTA у модельной бактерии Caulobacter crescentus.

Был идентифицирован трёхгенный кластер LypABC, который кодирует бактериальные белки. Когда гены lypABC удаляли, клетки больше не могли разрываться для высвобождения GTA. При сверхактивации системы многие клетки подвергались лизису. Эти результаты показывают, что LypABC действует как центральный регуляторный узел этого процесса.

Одним из самых удивительных открытий стало то, что LypABC очень похож на бактериальную иммунную систему против фагов. Он содержит белковые компоненты, обычно ассоциирующиеся с защитой от вирусов. Однако в данном случае система, по-видимому, была перепрофилирована для помощи в высвобождении частиц GTA и содействия переносу генов.

Исследователи также обнаружили регуляторный белок, который помогает держать активность GTA под строгим контролем. Это регулирование критически важно, поскольку неправильная активация LypABC может быть высокотоксичной для бактериальных клеток.

Ведущий автор исследования доктор Эмма Бэнкс отметила:

Особенно интересно то, что LypABC выглядит как иммунная система, но бактерии используют её для высвобождения частиц GTA. Это говорит о том, что иммунные системы могут быть перепрофилированы, чтобы помочь бактериям делиться ДНК друг с другом — процесс, который может способствовать распространению устойчивости к антибиотикам.

Следующим шагом станет понимание того, как активируется система LypABC и как она контролирует разрыв бактериальных клеток для высвобождения частиц GTA.