Pentru a distruge competiția, bacteriile le aruncă bucăți de viruși morți

criminal –

O rețea de ucidere reciprocă asigură supraviețuirea diferitelor populații de bacterii.

Cu mult înainte ca oamenii să devină interesați de uciderea bacteriilor, virușii erau la lucru. Virușii care atacă bacteriile, numiți „fagi” (prescurtarea de la bacteriofag), au fost identificați pentru prima dată prin capacitatea lor de a crea pete goale pe suprafața plăcilor de cultură care altfel erau acoperite de o peluză de bacterii. După ce au jucat roluri esențiale în dezvoltarea timpurie a biologiei moleculare, o serie de fagi au fost dezvoltați ca terapii potențiale pentru a fi utilizate atunci când rezistența la antibiotice limitează eficacitatea medicamentelor tradiționale.

Dar suntem relativ întârziați în ceea ce privește transformarea fagilor în instrumente. Cercetătorii au descris o serie de cazuri în care bacteriile au menținut bucăți de viruși cu dizabilități în genomul lor și le-au transformat în arme care pot fi folosite pentru a ucide alte bacterii care altfel ar putea concura pentru resurse. Tocmai am devenit conștient de această armare, datorită unui nou studiu care arată că acest proces a ajutat la menținerea diverselor populații de bacterii timp de secole.

Evoluția unui ucigaș

Noua lucrare a început când cercetătorii studiau populația de bacterii asociate cu o plantă care creștea sălbatică în Germania. Populația includea diverși membri ai genului Pseudomonas, care poate include agenți patogeni ai plantelor. În mod normal, atunci când bacteriile infectează o nouă victimă, o singură tulpină se extinde dramatic pe măsură ce își exploatează cu succes gazda. În acest caz, însă, Pseudomonas populația conținea o varietate de tulpini diferite care păreau să mențină o concurență stabilă.

Pentru a afla mai multe, cercetătorii au obținut peste 1.500 de genomi individuali din populația bacteriană. Peste 99% dintre acești genomi conțineau bucăți de virus, tulpina bacteriană medie având două bucăți separate de virus pândind în genomul lor. Toate acestea aveau părți lipsă în comparație cu un virus funcțional, ceea ce sugerează că erau produsul unui virus care s-a introdus în trecut, dar de atunci a suferit daune care le-au dezactivat.

Pe cont propriu, asta nu este șocant. O mulțime de genomi (inclusiv al nostru) au o mulțime de viruși dezactivați în ele. Dar bacteriile tind să elimine ADN-ul străin din genomul lor destul de repede. În acest caz, o anumită secvență virală părea să dateze de la strămoșul comun al multor tulpini, deoarece toate aveau virusul inserat în aceeași locație a genomului și toate cazurile acestui virus anume au fost dezactivate prin pierderea același set de gene. Cercetătorii au numit această secvență VC2.

Mulți fagi au o structură stereotipă: un „cap” mare care conține materialul lor genetic, așezat deasupra unei tulpini care se termină într-un set de „picioare” care ajută să se prindă de victimele bacteriene. Odată ce picioarele intră în contact, o tulpină se contractă, o acțiune care ajută la transferul genomul virusului în celula bacteriană. În cazul lui VC2, tuturor copiilor le lipseau genele pentru producerea secțiunii capului, precum și toate genele necesare procesării genomului său în timpul infecției.

Acest lucru i-a făcut pe cercetători să bănuiască VC2 a fost ceva numit „tailocin”. Aceștia sunt foști fagi care au fost domesticiți de bacterii, astfel încât să poată fi folosiți pentru a dăuna potențialei competiții a bacteriilor. Bacteriile cu tailocin pot produce fagi parțiali care constau numai din picioare și tulpină. Aceste tailocine încă pot găsi și se pot prinde de alte bacterii, dar când tulpina se contractă, nu există genom de injectat. În schimb, aceasta deschide doar o gaură în membrana victimei lor, eliminând parțial limita celulei și permițând o parte din conținutul acesteia să se scurgă, ducând la moartea acesteia.

Un liber pentru toți evolutiv

Pentru a confirma că secvența VC2 codifică o tailocină, cercetătorii au crescut câteva bacterii care au conținut secvența, au purificat proteine ​​din ea și au folosit microscopia electronică pentru a confirma că acestea conțineau fagi fără cap. Expunând alte bacterii la tailocină, ei au descoperit că, în timp ce tulpina care a produs-o era imună, multe alte tulpini care cresc în același mediu au fost ucise de aceasta. Când echipa a șters genele care codifică părți cheie ale tailocinului, uciderea a dispărut.

Cercetătorii emit ipoteza că sistemul este folosit pentru a elimina potențiala concurență, dar că multe tulpini au dezvoltat rezistență la tailocin.

Când cercetătorii au făcut un screening genetic pentru a identifica mutanții rezistenți, au descoperit că rezistența a fost asigurată de mutații care au interferat cu producerea de molecule complexe de zahăr care se găsesc pe proteinele care ajung la exteriorul celulelor. În același timp, cele mai multe dintre diferențele genetice dintre genele VC2 apar în proteinele care codifică picioarele, care se fixează pe aceste zaharuri.

Deci, se pare că fiecare tulpină bacteriană este atât un agresor, cât și o victimă, și există o cursă evolutivă a înarmărilor care duce la o colecție complexă de interacțiuni perechi între tulpini – gândiți-vă la un joc de piatră/hârtie/foarfece cu zeci de opțiuni. Iar cursa înarmărilor are o istorie. Folosind mostre vechi, cercetătorii arată că multe dintre variațiile acestor gene există de cel puțin 200 de ani.

Competițiile evolutive sunt adesea privite ca o simplă luptă unu-contra-unu, probabil pentru că este un mod ușor de a te gândi la ele. Însă realitatea este că majoritatea se aseamănă mai mult cu o încăierare haotică în bar, una în care este rar ca orice facțiune să obțină un avantaj permanent.

Science, 2024. DOI: 10.1126/science.ado0713 (Despre DOI).