Исследователи из Университета Индианы сообщают о ранее неизвестном способе, с помощью которого бактерии могут вырабатывать новые гены для эволюции и адаптации к угрозам.
Исследование, опубликованное сегодня онлайн в журнале Current Biology, описывает первое известное свидетельство того, что бактерии крадут генетический материал у своего злейшего врага, называемого «фагами», и трансформируют его, чтобы выжить. Фаги - это бактериальные вирусы, настолько смертоносные, что, по оценкам, каждые два дня они убивают около половины бактерий в Мировом океане.
«Подобно тому, как мы ведем непрекращающуюся войну с бактериями, бактерии ведут постоянную войну с бактериофагами, или «фагами», - говорит ведущий автор исследования Амелия Рэндич, исследователь с докторской степенью в Блумингтонском колледже IU. биологического факультета искусств и наук. «Наша работа показала, что ген, который когда-то использовался фагами в качестве оружия против бактерий, теперь используется бактериями для правильного роста и деления».
Это ген SpmX, широко известный как «Спам X». Знания об этом гене впервые были получены учеными в лаборатории Ива Бруна, заслуженного профессора биологии штата Индиана, который является старшим автором исследования. Рэндич - сотрудник лаборатории Бруна в IU.
«Это исследование показывает способность бактерий превращать орудие войны в инструмент для создания жизни», - добавил Рэндич. «Это как наблюдать, как эволюция перековала меч на орала».
Работа расширяет знания о том, как бактерии создают новые гены из внешнего генетического материала. В этом случае трансформация, которая, вероятно, произошла миллиард лет назад, может помочь людям сегодня лучше контролировать бактерии.
Этот контроль может привести к появлению новых антибиотиков или других достижений в использовании бактерий. Например, производители лекарств обычно используют бактерии для производства биологических соединений, таких как инсулин. Также проводятся исследования по использованию бактерий для переработки пластика или проведения электричества.
Как и человеческие вирусы, бактериофаги вводят в клетки свой собственный генетический материал, захватывая молекулярные механизмы своих жертв, чтобы копировать их собственные гены, производя новые вирусные частицы, которые разрушают клетки и убивают их. Этот процесс называется лизисом, а токсичные ферменты, вызывающие гибель клеток, называются лизинами.
SpmX обнаружен у Caulobacterales, отряда бактерий, члены которого имеют длинные придатки, называемые стеблями. Он появляется в бактериальной клетке в том месте, где будет расти стебель, и «рекрутирует» белки, которые играют роль в росте стебля.
На основе своих анализов, которые включали использование биоинформатики для сравнения генов бактерий и фагов и использование рентгеновской кристаллографии для создания 3D-моделей SpmX и родственных белковых структур в фагах, исследователи IU выявили сходство между SpmX и белком, продуцирующим лизин. последовательности у бактериофага. В частности, анализ показал, что часть гена, используемая SpmX для поиска подходящего места для выращивания стеблей у Caulobacterales, связана с токсичными лизинами, используемыми фагами для разрушения клеток.
Более того, команда обнаружила, что ген изменился, но незначительно. Аминокислоты, расположенные в определенной области фермента, который фаги используют для разрушения клеточных стенок, утратили способность вскрывать клетки Caulobacter. Вместо этого они, по-видимому, помогали направлять SpmX к будущей позиции стебля.
«Несмотря на то, что это было очень, очень похоже на гены фага, мы обнаружили у Caulobacter специфическую мутацию - в области белка, используемого для разрезания клеточной стенки бактерии, - которая снижала его эффективность», - сказал Брун.
«Поскольку последовательность была так тесно связана с генами фага, можно было бы ожидать, что она будет выполнять ту же функцию: разрезать клеточную стенку», - добавил он. «Но вместо этого его активность была снижена до такой степени, что он больше не убивал бактерии. Это весьма примечательно».
Видео: