Когда дело доходит до смены паролей, бактерии так же плохи, как вы и я, а может быть, даже хуже. Исследовательская группа Университета Карнеги-Меллона обнаружила, что, несмотря на 2,7 миллиарда лет эволюции, бактерии по-прежнему используют один и тот же «пароль», чтобы инициировать процесс образования спор. Их выводы были опубликованы в сентябрьском номере журнала PLOS Genetics..
Исследователи Университета Карнеги-Меллона под руководством Дэнни Дюрана из Департамента биологических наук использовали вычислительные и экспериментальные методы для изучения того, как эволюционировала сигнальная сеть, заставляющая бациллы и клостридии образовывать споры с тех пор, как две бактерии отделились от общего предок 2.7 миллиардов лет назад.
Бактерии производят споры в трудные времена. Вокруг спящих клеток образуется защитная оболочка, позволяющая им противостоять суровым условиям, таким как жара, кислотность и радиация. Понимание споруляции имеет значение для многих областей, включая здравоохранение. Например, споры C. difficile могут выжить при использовании дезинфицирующего средства для рук, что делает эту бактерию основной причиной внутрибольничных инфекций.
Бактерии используют сигнальные сети «включай и работай», чтобы ощущать и реагировать на экологические проблемы. Белок-сенсор распознает сигнал окружающей среды и передает сообщение белку-активатору, который включает соответствующую реакцию. Каждая пара сенсор-активатор имеет определенный набор аминокислот, которые действуют как пароль, который гарантирует, что сенсор передаст сообщение правильному активатору.
В случае сети спорообразования белок-сенсор распознает угрозы окружающей среды и предупреждает белок-активатор, который контролирует спорообразование. Автоматическая природа сигнальных сетей позволяет бактериям легко адаптироваться в постоянно меняющемся мире, интегрируя новые датчики в сеть спорообразования. Датчик, который распознает новый вызов, может включить спорообразование, если у него есть пароль для активатора спорообразования.
Предыдущие исследования показали, что у некоторых хорошо изученных видов Bacillus и Clostridium белки, активирующие спорообразование, очень похожи, а сигнальные сети, передающие сообщение, - нет. У Clostridium acetobutylicum сеть передачи сигналов спорообразования состоит из двух белков: сенсорного и активаторного. У Bacillus subtilis сеть состоит из четырех белков: сообщение проходит от сенсора через два промежуточных белка, прежде чем достичь активатора. Это подняло вопрос: как эволюция создала разные сети, достигшие одинаковых результатов?
Считалось, что общий предок имел простую двухбелковую сеть. Исследователи выдвинули гипотезу, что сеть спорообразования Bacilli приобрела два белка в ходе эволюции, что привело к четырехбелковой версии, которую мы наблюдаем сегодня у Bacilli. Клостридии продолжали использовать двухбелковую сеть. Эту гипотезу было трудно проверить, используя стандартные методы сравнения последовательностей, которые не позволяют отличить одну сигнальную сеть от другой.
Дюран и его коллеги преодолели это препятствие, разработав целенаправленный вычислительный подход, который объединил сходство последовательностей, содержание белковых доменов и соседние гены, чтобы найти гены, участвующие в сигнальной сети споруляции. Когда они применили этот подход к 28 геномам бацилл и 56 геномам клостридий, они, как и ожидалось, обнаружили гены, кодирующие четыре белка сети споруляции у бацилл. Удивительно, но они также обнаружили все четыре гена во многих геномах клостридий.
Это опровергло господствующую теорию, показав, что общий предок должен был иметь сеть из четырех белков. Это означает, что со временем некоторые клостридии эволюционировали, чтобы использовать более простую двухбелковую сеть.
«Это было удивительно, потому что традиционно мы думаем об эволюции, идущей от простого к сложному», - сказал Дюран. «Но появляется все больше и больше примеров эволюции, идущей в другом направлении, от сложного к простому».
Чтобы лучше понять эти изменения, соавтор исследования Филип Дэвидсон построил искусственные сети из четырех белков в пробирках, каждая из которых содержала разные комбинации белков, обнаруженных в сетях спорообразования из четырех белков. Он мог заменить любой белок в четырехбелковой споруляционной сети Bacillar соответствующим белком из четырехбелковой сети Clostridia, и наоборот, и активатор все еще получал сообщение. Это показывает, что Clostridia и Bacilli до сих пор используют те же пароли, что и их предки, жившие 2,7 миллиарда лет назад.
Это как ваша домашняя беспроводная сеть. Когда вы впервые подключились к ней, вы установили пароль и установили его на все свои беспроводные устройства. С годами у вас появились новые компьютеры и смартфоны, или у вас появились посетители, которые необходимо для использования беспроводной сети. Если вы поменяете пароль, старые устройства не будут работать, что создаст проблемы. Таким образом, вы продолжаете использовать старый пароль, чтобы каждый мог получить доступ к системе», - сказал Дюран. «Эксперименты Филипа показывают, что клостридии и бациллы застревают в той же колее, когда дело доходит до смены паролей, как и мы».