Популяции бактерий представляют собой интригующую загадку: в так называемых изогенных популяциях все бактерии имеют одни и те же гены, но ведут себя по-разному, например, растут с разной скоростью. Исследователи из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) решили часть этой загадки, изучив, как бактерия Escherichia coli разделяет белковый комплекс, который детоксифицирует клетки, выкачивая из клетки несколько лекарств, таких как антибиотики. Они обнаружили, что когда бактерия делится на две части, белки насоса распределяются таким образом, что одна клетка наследует больше белков насоса, чем другая клетка. Бактериальные клетки, которые наследуют больше белков насоса, растут быстрее при низких концентрациях антибиотиков. Разделение белка помпы является одним из способов добиться различного поведения в бактериальной популяции и может стать ступенькой к развитию устойчивости к антибиотикам. Исследование, опубликованное в журнале Science, было проведено междисциплинарным дуэтом: экспериментатором Тобиасом Бергмиллером и теоретиком Анной Андерссон из групп Селина Гуэта и Гашпера Ткачика из IST Austria.
Бактериальная популяция состоит из тысяч отдельных бактерий с одинаковым генетическим строением. Но эти люди могут иметь ряд фенотипов, то есть выглядеть и вести себя по-разному, из-за случайных процессов в клетках, влияющих на то, как используются генетические инструкции. Для белков в цитозоле, жидкости внутри клетки, эти случайные молекулярные процессы включают различия в расщеплении белков или случайное разделение на две клетки, которые образуются во время клеточного деления. В текущем исследовании исследователи изучили, как белковый комплекс в клеточной оболочке, которая окружает клетку, способствует этой гетерогенности или разнообразию фенотипов.
AcrAB-TolC, изученный белковый комплекс, является основным белковым комплексом, который выкачивает лекарства из клеток Escherichia coli. Он находится в клеточной оболочке, где белки группируются в виде «островков». В отличие от цитозоля, где белки обычно хорошо перемешиваются за счет диффузии, белки в оболочке могут разделяться асимметрично. Некоторые из этих скоплений формируются на полюсах клеток, закругленных концах палочковидных бактерий, таких как Escherichia coli. У этих бактерий клетки, «рождающиеся» при клеточном делении, можно различить по их полюсам. Одна клетка, материнская, сохраняет старый клеточный полюс, возникший в прошлом делении, где белки насосов оттока сформировали стабильные кластеры.
Авторы показывают, что AcrAB-TolC накапливается на этих старых клеточных полюсах в материнских клетках. Эти материнские клетки могут выкачивать лекарства более эффективно, чем дочерние клетки, которые не унаследовали старые клеточные полюса. При низких концентрациях антибиотиков материнские клетки растут быстрее, чем дочерние. Основываясь на этих наблюдениях, исследователи разработали математическую модель, чтобы определить, как это предвзятое разделение помпы лекарств влияет на популяцию бактерий. Они обнаружили, что материнские клетки, которые могут выкачивать лекарства, быстро становятся более распространенными. Популяция становится неоднородной, поскольку этот экстремальный фенотип становится более распространенным, поскольку эта неоднородность сохраняется долго.
C?lin Guet объясняет, как предвзятое разделение может быть одним из шагов на пути к устойчивости к антибиотикам: «Недавние исследования, проведенные другими группами, показали, что мутации, вызывающие устойчивость к антибиотикам, могут быстро возникать при низких концентрациях антибиотиков. Такие низкие концентрации все чаще обнаруживаются в естественной среде обитания или у пациентов во время медикаментозного лечения. Действительно, исследования, изучающие отбор, вызванный антибиотиками, показали, что AcrAB, гены, которые мы изучали, были амплифицированы. Гетерогенность в бактериальной популяции, которая возникает из-за механизма предвзятого разделения насосов оттока лекарств, как мы определили в нашем исследовании, может стать ступенькой на пути бактериальных популяций к устойчивости к антибиотикам».