Бактериофаги ускоряют эволюцию бактерий и могут сделать их супербактериями

Бактериофаги далеко не во всех случаях вызывают быструю гибель бактериальной клетки. Многие из них способны встраиваться в геном бактерии и до некоторого времени не убивать клетку-хозяина. Такие фаги называют лизогенными, или умеренными. Фаги, которые быстро превращают бактериальную клетку в фабрику по производству вирусных частиц, развиваютися по литическому пути: в итоге клетка подвергается лизису, высвобождая сотни новых фаговых частиц. Выход фагов из лизогенного состояния сопровождается вырезанием фаговых геномов из генома бактерии, которое часто происходит с ошибкой, и вместе с фаговым геномом захватывается фрагмент бактериального генома. Если фаг, захвативший некоторое количество бактериальных генов, потом заразит другую бактерию и встроится в ее геном, то она получит новые гены, которые способны существенно повлиять на ее свойства. Кроме того, вставка профагов может разрушить некоторые гены самой бактерии.

Авторы новой работы, опубликованной в Science Advances, работали с синегнойной палочкой (Pseudomonas aeruginosa). Эта бактерия препятствует заживлению ран, превращая их в хронические. Сначала ученые подсадили в ожог на коже свиньи шесть штаммов синегнойной палочки в количестве 10⁸ КОЕ, а затем наблюдали за конкурентной борьбой разных штаммов. Через три дня доминирующими штаммами стали PA14 и PAO1, которые как раз характерны для тепловых повреждений. Хотя эти штаммы оставались доминирующими по ходу инфекции, в какой-то момент появились колонии нового фенотипа — мелкие и морщинистые.

Генетический анализ показал, что на долю нового варианта P. aeruginosa приходится около 2% всей бактериальной популяции. В других работах было показано, что бактерии этого варианта, обозначаемого как RSCV (от rugose small colony variant) часто ассоциированы с хроническими инфекциями и обладают повышенной способностью к формированию биопленок из-за усиленной продукции полисахаридов и адгезина CdrA.

Авторы установили, что появление RSCV было обусловлено вставкой в клетки штамма PAO1 новых профагов, которые «перепрыгнули» из штаммов B23 и MSH10. При этом профаги разрушили гены, ответственные за регуляцию количества важного сигнального вещества — циклического ди-ГМФ. Кроме того, они внесли изменения и в другие гены, за счет чего бактерии приобрели повышенную способность к формированию биопленок. Стоит также добавить, что вставка профагов делает бактерию устойчивой к повторному заражению фагами. По оценке авторов, что мутации, приводящие к появлению RSCV, в разы повышают приспособленность бактерий.

В начале статьи авторы продолжают фразу известного генетика и эволюциониста Джона Холдейна: «Неспецифический паразит, к которому приобретен частичный иммунитет, — это мощное природное оружие» — «Но это оружие, если оно захвачено жертвой и перенаправлено, может принести победу». Они считают, что полученные результаты способны расширить наши представления о работе естественного отбора при инфекции.