Ученые проследили эволюцию бактерий и их токсинов

Под давлением конкурентов и жертв бактерии уже многие десятилетия модифицируют свое химическое оружие, состоящее из токсинов и антибиотиков. Ученым впервые удалось проследить эту гонку целиком. Исследование провели команды Хельге Боде из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка и Георга Хохберга из Марбургского университета в Германии. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.

Исследование сосредоточено на нерибосомных пептидах — классе молекул, которые составляют значительную долю самых мощных антибиотиков. Эти молекулы не собираются рибосомами, как это происходит с другими белками, а формируются гигантскими ферментными «конвейерами» — специализированными модулями, которые присоединяют аминокислоту за аминокислотой. Эволюция таких машин имеет свои уникальные особенности: они обмениваются целыми модулями, а не отдельными «буквами» ДНК, что ограничивает применение классических методов эволюционного анализа.

Раскрыть историю этих молекул удалось благодаря симбиозу, который развивался по драматичному сценарию. Бактерии Xenorhabdus и Photorhabdus обитают в кишечнике круглых червей-нематод. Эти черви заражают личинок насекомых, после чего бактерии высвобождаются и убивают жертву, используя токсины, такие как GameXPeptide. В результате насекомые начинают вырабатывать устойчивость, что заставляет токсины меняться — возникает идеальная гонка вооружений. У синтетазы GxpS, отвечающей за сборку этих токсинов, всего пять модулей. Авторы исследования восстановили её прошлое: они выявили 49 вариантов пептида, включая укороченные и удлиненные версии, и даже смогли воскресить общего предка, пересобрав 15 000 «букв» ДНК и запустив ген в кишечной палочке.

Анализ показал, что разнообразие токсинов поддерживается как минимум тремя силами. Во-первых, отбор действительно работает: полезные перестройки происходят на участках, которые определяют специфику оружия. Эксперименты на четырех видах насекомых подтвердили, что разные варианты токсинов обладают различной токсичностью. Третья сила — предвзятость обменов: модули чаще соединяются с похожими соседями, что приводит к тому, что конвейер перебирает ограниченный набор аминокислот, хотя теоретически возможны сотни вариантов. Это ограничивает эволюционные траектории.

Таким образом, исследование привело к главному открытию: разные линии бактерий независимо приходят к одинаковым вариантам не потому, что те более эффективны, 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 этих исследований связано с медициной: многие антибиотики относятся к той же группе нерибосомных пептидов, и в их эволюционной истории могут оказаться неизвестные варианты, способные преодолевать устойчивость микробов.

Также ранее стало известно, как можно уничтожать опасные кишечные бактерии, не затрагивая при этом полезные.