Ученые определили молекулярный механизм, с помощью которого патогенные для насекомых бактерии Chromobacterium subtsugae согласовывают свое поведение в зависимости от численности популяции. Авторы описали систему влияющих друг на друга сигнальных белков, которые регулируют активность почти трехсот генов в бактериальных клетках. Такой иерархический принцип объясняет, как патогены синхронизируют выработку соединений, участвующих в заражении хозяина, а также формирование биопленок при достижении определенной концентрации клеток. Открытие будет полезно при разработке методов борьбы с бактериальными инфекциями, поскольку многие болезнетворные микроорганизмы используют аналогичные системы для координации поведения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Microorganisms.
Многие болезнетворные бактерии координируют свое поведение с помощью особой системы коммуникации — так называемого «чувства кворума». Этот механизм позволяет микробам оценивать плотность популяции и синхронно активировать гены, отвечающие за вирулентность, то есть способность вызывать заболевание в организме хозяина, и образование биопленок. Биопленки — это сообщества, которые бактерии создают, чтобы повысить устойчивость к неблагоприятным условиям и эффективнее заражать хозяев.
Особый интерес для исследователей представляют бактерии рода Chromobacterium. Несмотря на генетическое сходство, одни виды этого рода, в частности Chromobacterium subtsugae, поражают насекомых, а другие, такие как Chromobacterium violaceum, — млекопитающих, в том числе человека. Поэтому бактерий Chromobacterium можно использовать для изучения механизмов, лежащих в основе вирулентности в отношении совершенно разных хозяев. До настоящего времени оставалось неясным, как именно эти микроорганизмы регулируют свою патогенность в зависимости от условий окружающей среды и, в частности, от плотности популяции. Понимать эти процессы важно, поскольку они потенциально позволят разработать новые методы борьбы с инфекциями, направленные не на уничтожение бактерий, а на нарушение систем их коммуникации.
Исследователи из Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий РАН (Оренбург) проанализировали геном, то есть последовательности всех генов, и транскриптом — последовательности всех РНК — у штамма Chromobacterium subtsugae ATCC 31532. Анализ РНК был нужен для того, чтобы понять, как меняется активность различных генов в зависимости от плотности популяции бактерий. Так, например, если ген становится менее активным, с него считывается меньше копий РНК.
Авторы выявили 296 генов, активность которых менялась (у одних увеличивалась, у других снижалась) при достижении критической плотности клеток. Биологи также обнаружили иерархический механизм, который регулирует работу этих генов. Оказалось, что белок CsuR воспринимает сигнальные молекулы — ацилированные гомосеринлактоны, которые используются клетками для коммуникации. В ответ на эти молекулярные сигналы CsuR активирует гены первого уровня, отвечающие за синтез дополнительных регуляторных белков, таких как MarR и TetR. Эти вторичные регуляторы, в свою очередь, контролируют новые группы генов, формируя сложную иерархическую сеть.
При этом исследователи подчеркивают, что обнаруженные белки действуют избирательно — только на определенные гены — благодаря тому, что перед нужными последовательностями находятся специфическими сайты связывания. Только распознав их, белок-регулятор может активировать или подавить работу гена.
«Полученные данные не только раскрывают механизмы бактериальной коммуникации, но и предоставляют новые мишени для потенциального воздействия на патогенные микроорганизмы. Так, например, мишенями могут стать белки-регуляторы: подавляя их, можно будет блокировать коммуникацию между бактериями и тем самым предотвратить развитие инфекции», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Галимжан Дускаев, доктор биологических наук, первый заместитель директора Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий РАН.
Ученые также сравнили обнаруженный у Chromobacterium subtsugae механизм регуляции с тем, что ранее был описан у близкородственной бактерии Chromobacterium violaceum — патогена млекопитающих. Анализ показал, что молекулярные системы, регулирующие «чувства кворума» у этих видов, сильно отличаются. Это объясняет их различную патогенность. Так, например, у Chromobacterium subtsugae авторы выявили уникальные гены, вероятно, отвечающие за взаимодействие с насекомыми-хозяевами.
«В дальнейшем мы планируем использовать растительные метаболиты — фитохимические вещества, выделенные из лекарственных растений, — способные подавлять процессы плотностно-зависимой коммуникации у потенциально патогенных бактерий желудочно-кишечного тракта сельскохозяйственных животных. Сегодня как никогда важно разрабатывать подходы, уменьшающие или полностью исключающие использование антибиотиков в сельском хозяйстве, но одновременно обеспечивающие увеличение продуктивности и достаточный уровень защиты сельскохозяйственных животных. Одним из путей решения проблемы может быть использование кормовых добавок, способных управлять чувством кворума зоопатогенных бактерий в организме сельскохозяйственных животных, а впоследствии изменять микробиом и направления метаболических потоков пищеварительной системы в благоприятном для сельскохозяйственного производства направлении», — рассказывает Галимжан Дускаев.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
