В 2015 году исследователи EPFL во главе с Мелани Блокеш опубликовали основополагающую статью в журнале Science, показывающую, что бактерия Vibrio cholerae, ответственная за холеру, использует подпружиненное копье, чтобы буквально пронзить соседние бактерии и украсть их ДНК. Они определили механизм копья как так называемую «систему секреции типа VI» или T6SS, которая также используется для межбактериальной конкуренции многими другими бактериями.
В. cholerae использует свой T6SS, чтобы конкурировать с другими бактериями в водной среде и приобретать новый генетический материал, который патоген поглощает и обменивает на некоторые части своего собственного генома. Этот способ «горизонтального переноса генов» приводит к быстрой эволюции и возникновению патогенов. Возбудитель V. cholerae вызвал семь крупных пандемий холеры с 1817 года и, согласно текущим данным ВОЗ, до сих пор ежегодно убивает более 100 000 человек и заражает до 4 миллионов человек, в основном в бедных или слаборазвитых странах.
Теперь группа Блокеша обнаружила, какой объем ДНК V. cholerae может украсть за одну атаку: более 150 000 пар оснований нуклеиновых кислот, или примерно 150 генов за один раз (бактерия холеры переносит около 4, 000 генов всего). Исследователи подсчитали это число путем секвенирования всего генома почти 400 штаммов V. cholerae до и после кражи ДНК у соседних бактерий.
Предыдущие исследования пытались установить, сколько компетентных в ДНК бактерий могут поглотить и интегрировать в свой геном, скармливая им большое количество очищенной ДНК. Однако это не отражает естественных условий, в которых живут и функционируют бактерии, поскольку в окружающей среде мало длинных участков свободной ДНК. Однако кража ДНК, опосредованная V. cholerae T6SS, позволяет бактериям приобретать быстро высвобождаемые и длинные фрагменты ДНК. Такое поведение бактерий тесно связано с хитиновыми поверхностями (например, раковинами), на которых бактерия обычно обитает в океанах и устьях рек.
Чтобы решить эту проблему, исследователи EPFL изучили два неродственных («неклональных») штамма V. cholerae в совместных культурах на хитине. Это позволило им определить частоту и степень обмена ДНК между двумя штаммами в более естественных условиях.
Исследование, проведенное под руководством аспиранта Ноэми Матти, показало, что штаммы V. cholerae, которые несут функциональную и индуцируемую хитином систему T6SS, намного эффективнее переносят ДНК, чем бактерии, которые этого не делают. Хищная бактерия приобрела большие участки генома от своей убитой жертвы - до 150 000 пар оснований, упомянутых выше.
Авторы заключают, что экологический «образ жизни» V. cholerae позволяет обмениваться генетическим материалом с достаточной кодирующей способностью, что может значительно ускорить эволюцию бактерии.
«Это открытие очень актуально в контексте эволюции бактерий», - говорит Блокеш. «Это предполагает, что бактерии окружающей среды могут иметь общий генофонд, который может сделать их геномы очень гибкими, а микробы - склонными к быстрой адаптации».