Кишечные палочки от одиночества начинают быстрее мутировать

Print PDF

Если у бактерий мало друзей, они не печалятся. Они замышляют. Их ДНК начинает мутировать с более высокой скоростью. И это плохие новости для людей и их антибиотиков.

MRP in E. coli strains.
Relationship of mutation rate (μ) per cell (a) to absolute fitness (wabs) in wild-type E. coli K-12, and (b) to final population density (D) in E. coli B strains. In a, the line is the fitted curve (log2(μ)=7.9−0.39 × wabs) from Model 1 (see Methods). In b, dark and light blue indicate, respectively, the Ara− (REL606) and Ara+ (REL607) ancestral B strains, and red indicates the strain evolved for 20,000 generations (REL8593A). Circles are monocultures, squares are cocultures; thin lines link estimates from two strains in the same coculture. The line is the fitted curve (log2(μ)=15−4.7 × log2(D)) from Model 2. Note that mutation rate and population density axes are logarithmic.

«Лично у меня вызывает удивление, почему это не было обнаружено раньше», — говорит Кристофер Найт из Манчестерского университета (Великобритания), руководитель исследования, вскрывшего важную деталь из жизни E. coli. Никаких высоких технологий здесь задействовано не было. Член научной группы Рок Красовец просто выращивал кишечных палочек в условиях разного количества пищи и смотрел, как они отреагируют на воздействие антибиотика рифампицина, обычно применяемого против туберкулезных бацилл. Подсчитав частоту мутации, обеспечившей выжившим бактериям сопротивляемость антибиотику, Красовец увидел, что у тех палочек, которые получали меньше пищи, размножались медленнее и образовывали менее плотные популяции, было в три раза больше мутаций, чем у их более сытых родственников, сформировавших густо заселенные колонии.

По словам Найта, микробиологи обычно ищут и целенаправленно создают штаммы, мутирующие в сотни раз быстрее, чем обычно. Из-за этого эффект увеличения частоты мутаций в три раза у более разреженной популяции оставался без внимания. Однако в природе это небольшое по лабораторным меркам изменение может существенно повысить шансы на выживание и успешное приспособление к неблагоприятным факторам.

(a) Relationship of mutation rate and population density (D) in wild-type E. coli K-12 (green) and otherwise isogenic ΔluxS mutant (KX1228; orange). Lines are the fits from Model 3 (see Methods). Note that some data is common with Fig. 1a. (b) Mutation rate in E. coli ΔluxS mutant (KX1200) (cocultured with either wild-type (diamonds) or ΔluxS mutant (KX1228; squares)) cells in either aspartate-containing (outlined) or minimal (no outline) media. Lines are the fits from Model 6. Note the different logarithmic scales used in each plot; also note that the density axes are shorter than in Fig. 1b, as K-12 strains do not grow to as high density in this medium as B strains. In a, the range of densities considered is extended by including cocultures with B strains (squares), although these do not behave significantly differently to monocultures (Model 3).

Ученые провели серию тестов, чтобы выявить конкретные факторы, повышающие чисто мутаций, но лишь один из них оказался существенным — близость друг к другу отдельных бактерий. Скорость мутационного процесса в популяции заметно снижалась в условиях повышенной плотности. Был определен и ген, от которого зависел данный эффект, — luxS. Бактерии, у которых он отсутствовал, росли с той же скоростью, что и нормальные бациллы, но скорость мутаций у них оставалась одинаковой вне зависимости от плотности популяции. Ген luxS, как известно, вовлечен в т.н. чувство кворума у бактерий — под этим термином понимается способность координировать поведение в зависимости от плотности населения посредством молекулярных сигналов. Когда бактерии чувствуют, что популяция превысила некий пороговый уровень, в них внезапно включаются гены, которые делают их патогенными для хозяина, или они начинают образовывать биопленку.

Selected downstream effectors associated with population density, stress, mutation control and DNA methylation are analysed. Spearman rank correlations between the expression of two genes are shown by colour. Each value is a weighted median across 96 separate studies. Associated P-values and partial correlations (controlling for the correlations among groups of genes) are given in Supplementary Fig. 11

У кишечных палочек luxS вызывал снижение или повышение скорости мутаций в ответ на увеличение плотности популяции, т.е. он определяет не одностороннее изменение скорости мутаций, а ее «гибкость». Интуитивно понятно: если бактерия замечает, что ее товарищи не слишком успешно выживают, то имеет смысл что-то поменять внутри себя, чтобы самой не пасть жертвой отбора. Сейчас Найт и Красовец пытаются проверить это на практике и выяснить молекулярный механизм данного процесса. В перспективе можно научиться сдерживать скорость мутаций у бактерий, что особенно полезно, когда они всеми правдами и неправдами стремятся выработать резистентность к антибиотикам. Все же человечеству выгоднее, когда одинокие бактерии остаются одинокими.

Источник

Оригинал