01
А
Астрономия
02
Б
Биология
03
Г
Гуманитарные науки
04
М
Математика и CS
05
Мд
Медицина
06
Нз
Науки о Земле
07
С
Сельское хозяйство
08
Т
Технические науки
09
Ф
Физика
10
Х
Химия и науки о материалах
Биология
26 сентября 2016
Бактериальный «Король Лир», или как убить соседа и не перетрудиться

Микромир таит в себе много тайн не только для серьезных ученых, но и для сценаристов и драматургов. О каннибализме, Шекспире и гладиаторских боях в мире бактерий рассказывает Indicator.Ru.

Микробные войны только кажутся чем-то несерьезным: в невидимых глазу баталиях, почти как в трагедиях великого английского классика, в ходу отравления, обман, каннибализм, а также настоящие эволюционные «гонки вооружений». Ученые из Гарвардского университета и Израильского технологического института выяснили, почему бактериям выгоднее применять антибиотики в малом количестве, чтобы победить противника. Результаты, ждущие своего Шекспира, опубликованы в Nature Microbiology.

Поужинай врагом своим

В природе организмы производят антибиотики для того, чтобы отравить своих нежелательных соседей. Казалось бы, чем больше произведешь «яда», тем больше останется пищи — еще и трупом своего врага закусить можно. «Кирпичики», из которых строятся большие молекулы — белки, жиры, углеводы, ДНК и РНК — у всех организмов одинаковые, и бактерии обычно пользуются этим без зазрения совести. Чем не выгодная стратегия?

В реальности же количество производимого микроорганизмом антибиотика почти всегда невелико и зависит от многих факторов, среди которых главную роль играет конкуренция с соседними штаммами. Если вам вдруг захочется вывести в лаборатории высокопродуктивный штамм, который будет синтезировать концентрированное лекарство за вас, вы с гораздо большей вероятностью снизите выработку ценного вещества. И проблема даже не в том, что синтез таких ядов — роскошь, которую может себе позволить не каждая бактерия, а только та, которой хватает на это ресурсов. Предыдущие исследования показали, что бактерии могут увеличить выработку антибиотиков в несколько раз по сравнению с обычным уровнем без ущерба для себя, не снижая темпов роста колонии.

Некоторые ученые даже предполагали, что бактерии вовсе не так коварны и вероломны, и производят антибиотики в малых количествах не для убийства соседей, а как сигнальные молекулы, для «общения» (например, согласования времени деления своих клеток).

Также остается непонятным, передают ли микроорганизмы по наследству генетические инструкции, где указан оптимальный уровень производства антибиотиков.

«Камень-ножницы-бумага»

Бактерии-производители антибиотиков, которые должны получать селективное преимущество, на самом деле не всегда выигрывают. Существуют не только производители и жертвы, но и штаммы, устойчивые к «яду», но не изготавливающие его. Они научились нейтрализовать вредоносную молекулу, «разрубая» ее, заковывая ее активный центр в «наручники», обходя процесс, который она хочет нарушить, или попросту не пуская ее внутрь клетки.

Такие штаммы называют «читерами», поскольку сами они не производят ничего особенного, не тратят на это энергию, а просто пожинают плоды трудов «отравителей», вместе с ними пируя на «обломках самовластья» беззащитных неядовитых собратьев. Так что преимущество «отравителей» исчезает не только в хорошо перемешиваемой среде, где их «яд» разбавляется, но и в закрытых структурированных пространствах — при наличии там «читеров».

Однако «читеры» проигрывают там, где концентрация антибиотиков достаточно низка, чтобы продолжали расти обычные штаммы, чувствительные к ним, ведь даже «читерам» нужно тратить некоторые ресурсы, чтобы поддерживать свою неуязвимость. Этот пример показывает, что эволюция не всегда благоволит какой-то одной стратегии, она жонглирует их соотношением, как в игре «камень-ножницы-бумага». Эволюционный успех, как король Лир, заслуженно и незаслуженно гостит по очереди у разных дочерей, только не умирает и не сходит с ума.

Чтобы изучить это противостояние, биологи выбрали три штамма кишечной палочки, которые были «отравителями», «читерами» и чувствительными по отношению к колицину, и поместили их на твердую среду. Этот антибиотик, название которого образовано от латинского видового названия бактерии (E.coli), кодируется геном, записанным в плазмиде (дополнительной маленькой кольцевой бактериальной ДНК) и протыкает клеточные мембраны, как копье.

Красный, желтый, синий: делайте ставки

Чтобы легко определить, какой штамм выигрывает, в каждый из них ученые вставили ген, кодирующий флуоресцентный (испускающий свет в ответ на поглощение света более короткой длины волны, то есть ближе к ультрафиолетовой части спектра) краситель определенного цвета.

Снабдив их такой узнаваемой «формой», ученые устроили в чашках Петри, как на миниатюрных аренах, настоящие гладиаторские бои, комбинируя представителей всех трех групп вместе и по двое в различных сочетаниях, экспериментируя с «плотностью населения» соотношениями и количеством вырабатываемого колицина.

«Читеры» хорошо чувствовали себя, когда все три штамма росли вместе. Внутри зон, пораженных вырабатываемым «отравителями» колицином, они развивались лучше всего, стараясь поселиться поближе к колониям производителей антибиотика, чтобы прокормиться «на чужих хлебах» в отсутствие других конкурентов.

Ученые нашли соотношение, заставляющее «отравителей» производить как можно больше антибиотика. Для этого нужно поселить небольшое количество «отравителей» в среду, где концентрация чувствительных к яду колоний высока. Правда, со временем в трехстороннем соревновании повышение плотности колоний «отравителей» уменьшает отбор в их пользу, потому что у «читеров» повышается шанс преуспеть за их счет.

«Золотая середина»

На основании результатов всех «соревнований» ученые составили компьютерную модель, предсказывающую, какая стратегия наиболее выигрышна для «отравителей». По данным исследователей, самым выгодным решением оказалось поддержание производства антибиотиков на среднем уровне.

Хотя название этого подраздела лучше подошло бы рассказу о колониях золотистого стафилококка, а речь идет об исследовании кишечной палочки, это правило эффективно для самых разных организмов. Изучение драматических взаимоотношений трех штаммов E.coli, попеременно страдающих и выигрывающих от того, в каком направлении качнется маятник естественного отбора, помогает понять, почему антибиотики в природе производятся в таких малых количествах. Работа показывает, как заставить бактерий вырабатывать больше необходимых фармацевтам веществ, и в будущем может помочь поиску новых препаратов.

Комментарии

Все комментарии
САМОЕ ЧИТАЕМОЕ
Обсуждаемое