Молекулярный механизм, используемый многими бактериями для уничтожения соседних клеток, имеет избыточность, встроенную в его генетическую структуру, что может позволить механизму проявляться в различных средах. Некоторые штаммы люминесцентных бактерий, которые конкурируют за колонизацию световых органов гавайского кальмара-бобтейла, убивают близлежащие клетки различных бактериальных штаммов, используя «систему секреции типа VI (T6SS)». Исследователи из Университета штата Пенсильвания и Университета Висконсин-Мэдисон теперь показали, что геномы этих бактерий содержат две копии гена, необходимого для T6SS, и что система все еще работает, когда одна из копий гена отключена, но не обе.
Документ, описывающий исследование, которое дает представление о молекулярных механизмах конкуренции между бактериями в микробиоме, опубликован в Интернете в Journal of Bacteriology.
«Многие организмы, в том числе люди, приобретают бактерии из окружающей среды», - сказал Тим Мияширо, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и руководитель исследовательской группы. «Эти бактерии могут участвовать в функциях внутри организма-хозяина, например, как наши кишечные бактерии помогают нам переваривать пищу. Нас интересуют динамические взаимодействия между бактериальными клетками, а также между бактериями и их хозяином, чтобы лучше понять эти взаимовыгодные симбиотические отношения».
Клетки биолюминесцентного вида морских бактерий Vibrio fisheri поселяются в световом органе только что вылупившегося бобтейла. Ночью бактерии излучают голубое свечение, которое, по мнению исследователей, скрывает силуэт кальмара и помогает защитить его от хищников. Световой орган имеет карманы или склепы в коже кальмара, которые обеспечивают питательные вещества и безопасную среду для бактерий.
«Когда кальмар вылупляется, в его световом органе еще нет бактерий», - сказал Мияширо. «Бактерии в окружающей среде быстро колонизируют световой орган кальмара. Каждая крипта изначально может быть занята несколькими разными штаммами. Некоторые из этих разных бактериальных штаммов могут сосуществовать, но другие - бактерии, использующие систему T6SS, - убивают клетки других штаммов».
В лаборатории исследователи могут контролировать, какие бактериальные штаммы присутствуют в среде вылупившегося кальмара, и изучать их взаимодействие. Штамм V. fisheri, обозначаемый как FQ-A001, использует систему T6SS. Если этот штамм занимает крипту с клетками штамма, который не использует систему T6SS, он может убить эти клетки и полностью захватить крипту. Система T6SS, закодированная в геноме многих бактерий в виде кластера генов, работает почти как игла для подкожных инъекций, способная вводить токсины в соседние клетки.
«Мы отключили ген в кластере T6SS под названием hcp, чтобы изучить его роль в способности FQ-A001 убивать другие бактерии», - сказал Мияширо. «Ген hcp кодирует белок, который составляет часть структуры системы T6SS, а также является одной из молекул, секретируемых системой для уничтожения других клеток. Поэтому мы были удивлены, что система T6SS все еще функционирует у этих бактерий».
Затем исследователи обнаружили еще одну копию гена hcp за пределами кластера генов T6SS в геноме FQ-A001, который кодировал идентичный белок. Отключение этой копии гена, называемой hcp1, также не повлияло на способность бактерий убивать другие клетки. Но когда исследователи отключили обе копии гена hcp, система T6SS больше не могла функционировать, и бактерии FQ-A001 могли сосуществовать с другими штаммами в легком органе куцехвостого кальмара. Исследователи также могут восстановить функцию T6SS, индуцируя экспрессию Hcp в бактериях FQ-A001 с отключенными обеими естественными копиями hcp.
«Две копии гена hcp кажутся полностью функционально избыточными», - сказал Мияширо. «Знание этого помогает нам лучше понять молекулярные механизмы, лежащие в основе установления симбиотических отношений между бактериями и их хозяевами».