Наука

Ученые объяснили, как бактерии постоянно модифицируют свои токсины

Nature Ecology & Evolution: эволюцию бактериального оружия движут три силы
1200 800 600 400 600 600 200 200 895 505 1200 900

Под давлением конкурентов и жертв бактерии десятилетиями модифицируют свое химическое оружие, состоящее из токсинов и антибиотиков. Ученым впервые удалось проследить эту гонку целиком. Работу выполнили команды Хельге Боде из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка и Георга Хохберга из Марбургского университета в Германии. Статья опубликована в журнале Nature Ecology & Evolution.

Речь идет о нерибосомных пептидах — классе молекул, к которому принадлежит заметная часть самых мощных антибиотиков. Их собирают не рибосомы, а гигантские ферментные конвейеры: специализированные модули, как станции автозавода, присоединяют аминокислоту за аминокислотой. Эволюция у таких машин необычная: они обмениваются целыми модулями, а не отдельными «буквами» ДНК, поэтому классические методы эволюционного анализа здесь применимы ограниченно.

Раскрыть историю помог симбиоз, развивающийся по драматичному сценарию. Бактерии Xenorhabdus и Photorhabdus живут в кишечнике круглых червей-нематод. Те заражают личинок насекомых, после чего бактерии высвобождаются и убивают жертву, в том числе токсинами GameXPeptide. Насекомые вырабатывают устойчивость, и токсины вынуждены меняться — складывается идеальная гонка вооружений. У синтетазы GxpS, собирающей эти токсины, всего пять модулей, и авторы восстановили ее прошлое: выявили 49 вариантов пептида, включая укороченные и удлиненные версии, и даже воскресили общего предка, пересобрав 15 000 «букв» ДНК и запустив ген в кишечной палочке.

Анализ показал, что разнообразие токсинов поддерживается как минимум тремя силами. Отбор действительно работает: полезные перестройки приходятся на участки, задающие специфику оружия, а эксперименты на четырех видах насекомых подтвердили, что разные варианты обладают неодинаковой токсичностью. Третья сила — предвзятость обменов: модули чаще соединяются с похожими соседями, поэтому конвейер перебирает ограниченный набор аминокислот собственного арсенала, хотя теоретически возможны сотни вариантов, и это сужает эволюционные траектории.

Отсюда и главное открытие: разные линии бактерий независимо приходят к одинаковым вариантам не потому, что те эффективнее, а потому, что их проще собрать. «Это было похоже на шахматы в пяти измерениях: каждая рекомбинация стирает кусок прошлого фермента, и именно эта сложность делает систему такой увлекательной», — прокомментировал работу Георг Хохберг.

Практическое значение связано с медициной: многие антибиотики принадлежат к тем же нерибосомным пептидам, и в их эволюционной истории могут обнаружиться неизвестные варианты, способные преодолевать устойчивость микробов.

Ранее стало известно, как уничтожать опасные кишечные бактерии, не затрагивая полезные.