Коммуникация на грани живого: вирусы подслушивают бактерий

Вот уже четверть века профессор Принстонского университета Бонни Басслер «вслушивается» в разговоры бактерий. В 1990-е годы она сумела объяснить механизм межбактериальной коммуникации, получившей название «чувство кворума»: бактерии выделяют и воспринимают сигнальные молекулы, определенная концентрация которых при достижении популяцией значительной численности меняет коллективное поведение бактерий – например, запускает инфекцию или формирование биопленки. Но Басслер даже не подозревала, что вместе с ней бактерий «слушает» кое-кто еще.

Ее аспирант Джастин Силпе! Но не только он. Еще и вирусы-бактериофаги, убийцы бактерий. После заражения бактерии у фага два пути: выжидать либо убивать. В последнем случае он шустро создает тьму своих копий, пользуясь копировальным ДНК-аппаратом бактерии-хозяйки, после чего она пукает и лопается – и армия дочерних вирусов выходит в окружающую среду и атакует других бактерий. Но что, если других бактерий поблизости нет? Без новых хозяев фаги обречены на гибель. Чтобы избежать этой участи, фаги выжидающе «прослушивают» молекулярные сигналы, которые бактерия выделяет при сборе «кворума», так что они знают, когда бактерий снаружи становится много, и только тогда убивают и покидают хозяйку, выяснил Силпе.

Бонни Басслер и Джастин Силпе подслушивают бактерий. Фото: Denise Applewhite.

«Как это коварно – подслушивать молекулу для чувства кворума, – восхищается Басслер. – Никто этого прежде не знал». В свое время и чувство кворума было революционной концепцией. Исследуя феномен, Басслер всякий раз поражалась тому, как бактерии – такие простенькие организмы – способны общаться друг с другом и координировать поведение. Но вирусы еще более простенькие, и даже не организмы! Чисто технически они даже не являются живыми! Эти сущности совершенно не похожи на бактерий – и тем не менее они воспринимают и интерпретируют те же молекулярные сообщения. Удивительно. Все равно как если бы вас прослушивала ваша фекалия.

Несколько лет назад научная группа Басслер обнаружила у бактерий Vibrio cholerae новую систему чувства кворума: они производят сигнальные молекулы DPO, которые регистрируются рецепторами VqmA. Когда холерные вибрионы толпой заражают хозяина, вокруг становится очень много DPO и молекулы начинают попадать на рецепторы VqmA, в результате запускается каскад генов, которые перепрограммируют бактерии: выключают их инфекционную прыть и включают позыв к дальнейшему распространению.

Порыскав по базам данных, Силпе выяснил, что рецепторы типа VqmA имеются у многих близкородственных вибрионов… а также у фага VP882, найденного десять лет назад в морском вибрионе Vibrio parahaemolyticus. Ошибка данных? Или вирус умеет воспринимать сигналы, предназначенные для его хозяина-микроба? Силпе решил отыскать тот образец бактерии и как следует перепроверить. «Я подумала: мы потратим уйму времени впустую, потому что это просто какой-то артефакт, – вспоминает Басслер. – Идея была безумная, ведь не существовало ни одного свидетельства, что вирус может подслушивать информацию бактерии-хозяйки. Но наша лаборатория построена на безумных идеях вроде коммуникации бактерий, мы зарабатываем этим на жизнь!»

Вирусные частицы бактериофага VP882. Цена деления шкалы – 50 нм. Фото: Lan et al., 2009.

Полгода Силпе разыскивал заветный вибрион. Тайваньские ученые, открывшие в нем необычный фаг, больше не работали учеными, но, перед тем как оставить науку, они спрятали бактерию в тайное хранилище, которое охранял свирепый дракон. Силпе нашел хранилище, убил дракона и добыл вибрион. К вящей радости, в бактерии до сих пор обитал вирус VP882. И как показали эксперименты с Vibrio cholerae, этот фаг действительно способен подмечать производимые вибрионом сигналы DPO своей версией рецептора VqmA. Когда это происходит, тихий фаг резко превращается в убийцу. Много DPO – значит, рядом много новых потенциальных хозяев-вибрионов. Фаг это знает наверняка.

И он не просто подслушивает: соединение холерного DPO с фаговым VqmA запускает внутри вибриона ту самую генетическую программу, которая переключает его с заражения на распространение. То есть вирус, убедившись, что снаружи много потенциальных хозяев, дополнительно побуждает свою бактерию открепляться от кишечного эпителия жертвы и плыть дальше по течению. Таким образом, его дочерние вирусы не только встретят бактериальное раздолье по выходе из лопнувшего вибриона, но и окажутся вместе с новыми хозяевами где-нибудь подальше.

«Коммуникация представляется этакой продвинутой чертой, – рассуждает Силпе. – То, что бактерии умеют общаться, – это сногсшибательно. А вирусы еще проще бактерий – у VP882, к примеру, всего около 70 генов. И весьма примечательно, что один из этих генов занимается чувством кворума. Общение явно не высшие организмы придумали!» Действительно, не так давно выяснилось, что даже у вирусов есть свое чувство кворума: бактериофаги распознают белковые сигналы коллег и в зависимости от их концентрации меняют или не меняют характер инфекции. А теперь вот оказалось, что они способны понимать и «язык» бактерий.

Кишечные палочки (E. coli), полные фагов VP882. Один вирусный белок помечен красным. Когда фаг выжидает, белок равномерно распределяется по клеткам бактерий (слева). Когда «подслушивающий» фаг узнает о кворуме бактерий, он переключается в режим убийства и другой его белок связывает красный белок и перемещает к одному из полюсов бактерии (справа). Все кишечные палочки справа скоро умрут. Фото: Bonnie Bassler, Justin Silpe.

Чем еще интересен фаг VP882: в отличие от большинства других фагов, которые заражают бактерий определенных видов, он способен внедряться в разных бактерий. Хотя «подслушивать» может только молекулярные сигналы Vibrio. Но Джастину Силпе удалось генетически модифицировать фага так, что он смог воспринимать сигнальные молекулы других бактерий, в том числе сальмонеллы и кишечной палочки. И уничтожать их, разумеется. То есть в лице VP882 мы получили киллера, которого можно натаскивать на конкретную жертву. «Это словно подарок нам от эволюции!» – умиляется Басслер.

Подарок для фаготерапевтов. Ученым обычно приходится для каждой противной бактерии искать соответствующего ей фага-убийцу. Новое открытие сулит замечательную альтернативу – непривередливый программируемый и контролируемый фаг, способный подслушивать жертв и выбирать наиболее оптимальное время для убийства. Вот только как бы он не вышел из-под контроля и не накинулся на самых могущественных вибрионов планеты – людей…


Текст: Виктор Ковылин. По материалам: The Atlantic, Princeton University
Научная статья: Cell (Silpe & Bassler, 2018)

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вам понравилось его читать и вы хотите поделиться информацией с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем только рады. С уважением, Батрахоспермум.

Вас также могут заинтересовать статьи:
Ваши клетки пропускают сквозь себя миллиарды вирусов ежедневно
Отряд фагов-самоубийц одолевает CRISPR
Волосы продемонстрировали кворум


Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение