Борьба современного человечества с патогенными бактериями с помощью антибиотиков идет с переменным успехом, причем человек все чаще проигрывает. Однако люди не сдаются и продолжают изучать механизм действия разных видов «оружия», которые бактерии используют против своих собратьев. В том числе и такого экзотического, как «спящие» бактериофаги – вирусы-убийцы бактерий
Бактерии существуют на Земле уже миллионы и миллиарды лет, и все это время между ними идет жестокая и изощренная конкурентная борьба. Сильнодействующие биологически активные соединения, которые производят микроорганизмы для «войны» с себе подобными, давно и не без успеха изучаются учеными. Результат их усилий можно найти в любой аптеке – это всем известные антибиотики. Но многие вопросы в этой области знаний все еще остаются открытыми.
Одна из таких загадок связана с колибактином – низкомолекулярным токсическим веществом, которое может выделять кишечная палочка (E. сoli) и некоторые другие члены микробиома (сообщества микроорганизмов) кишечника человека и других млекопитающих. Считается, что колибактин может вызывать синдром раздраженного кишечника, а также провоцировать рост опухолей, включая злокачественные, в том числе вызывать колоректальный рак.
Молекулу колибактина очень трудно изучать, так как ее невозможно выделить в нативном виде из бактериальных клеток. Только с помощью методов биоинформатики удалось выяснить химическую структуру этого вещества и установить, что его повреждающее действие на ДНК связано с образованием ошибочных сшивок внутри ее двойной спирали.
Конечно, исследователи подозревали, что колибактин нужен бактериям не для того, чтобы портить жизнь млекопитающим, но для «войны» с другими бактериями. Но прямого смертельного влияния бактерий-продуцентов колибактина на другие виды бактерии обнаружить не удавалось. Ученые сомневались даже в самой способности этой довольно крупной и нестабильной молекулы проникать в бактериальные клетки.
Недавно ученые из Гарвардского Университета (США) решили проверить, не замешана ли здесь «третья сторона». Речь идет о бактериофагах – вирусах бактерий, их самых давних естественных врагов. Как и любые другие вирусы, бактериофаги заражают клетку и превращают ее в фабрику по производству вирусного потомства. Некоторые (литические) бактериофаги убивают клетку практически сразу. Но в некоторых случаях генетическая информация фага встраивается в геном бактерий, где какое-то время находится в скрытом латентном состоянии (лизогенная инфекция). «Проснувшись», такие вирусы вызывают острую литическую инфекцию, и клетка гибнет.
Исследователи вырастили бактерий-продуцентов колибактина вместе с бактериями, несущими латентные фаги, и увидели впечатляющую картину атаки бактериофагов на своих «хозяев». Оказалось, что колибактин все же проникает в бактериальные клетки, где повреждает ДНК, что и служит триггером пробуждения «спящих» фагов. Аналогичная картина наблюдалась и в эксперименте по моделированию кишечного микробиома человека.
Но не все бактерии оказались беззащитны перед своим «внутренним врагом»: ученым удалось идентифицировать ген, кодирующий белок, который нейтрализует колибактин.
В дальнейшем исследователи планируют изучить роль колибактина в формировании микробных сообществ, в том числе у человека, что может стать ключом к профилактике колоректального рака. Кроме того, подобная информация важна для понимания связи между бактериями и вирусами кишечника и развитием различных заболеваний.
Кстати сказать, с точки зрения эволюции колибактин является не только оружием, но и фактором генетической изменчивости – в тех случаях, когда клетка с нарушениями ДНК все же выживает. Кроме того, работа генов колибактина связана молекулярными путями синтеза сидерофоров – соединений, которые переносят железо. Возможно, бактерии, производящие колибактин, имеют и другие конкурентные преимущества, о которых мы пока просто не знаем.