Любовь микроба: данные об «общении» бактерий помогут в борьбе с инфекциями
Как чувство кворума патогенов влияет на формирование опасных биопленок
EN
Ученые определили молекулярный механизм, с помощью которого патогенные для насекомых бактерии согласовывают свое поведение в зависимости от численности популяции. Авторы описали систему влияющих друг на друга сигнальных белков, которые регулируют активность почти 300 генов в клетках. Открытие будет полезно при разработке методов борьбы с инфекциями, поскольку многие болезнетворные микроорганизмы используют аналогичные системы для координации поведения. Подробнее о том, как управление поведением микробов поможет медицине и сельскому хозяйству, — в материале «Известий».
Как бактерии «общаются» между собой
Исследователи из Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий РАН (Оренбург) проанализировали геном, то есть последовательности всех генов, и транскриптом — последовательности всех РНК — у определенного штамма бактерий Chromobacterium subtsugae. Эти микроорганизмы представляют особый интерес для исследователей. 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 их можно использовать для изучения механизмов, лежащих в основе вирулентности в отношении совершенно разных хозяев, рассказали «Известиям» специалисты.
Исполнитель проекта Ксения Инчагова
Как пояснили ученые, 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 (сообщества, которые бактерии создают, чтобы повысить устойчивость к неблагоприятным условиям и эффективнее заражать 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 это потенциально позволит разработать новые методы борьбы с инфекциями, направленные не на уничтожение бактерий, а на нарушение систем их коммуникации, рассказали в научном центре.
— 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, — пояснил руководитель проекта, доктор биологических наук, первый заместитель директора Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий РАН Галимжан Дускаев.
Как победить инфекции у животных
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.
Ученые 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.
Основной исполнитель проекта Дмитрий Дерябин
В дальнейшем ученые планируют 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, а впоследствии изменять микробиом и направления метаболических потоков пищеварительной системы в благоприятном для сельскохозяйственного производства направлении, — рассказал Галимжан Дускаев.
Как бактерии используют в медицине и сельском хозяйстве
Использование подобных бактерий позволяет значительно сократить и оптимизировать количество вносимых пестицидов. Bacillus thuringiensis уже много лет используется в качестве природного пестицида, более того, в 1990-х были созданы сорта растений, несущие трансгенный Bt-токсин. И уже много лет такие трансгенные растения широко применяют за рубежом, рассказал «Известиям» эксперт рынка НТИ «Хелснет», преподаватель Новосибирского государственного университета (НГУ) Сергей Седых.
— Еще несколько десятков лет назад никто бы не мог подумать о том, как современные геномные технологии изменят наше представление о влиянии таких бактерий на патогенных насекомых и о том, каким образом они общаются друг с другом. Подобные исследования позволяют на молекулярном уровне понять, как именно бактерии, полезные для человека и патогенные для насекомых-вредителей, общаются между собой. Такие фундаментальные исследования в перспективе позволят решить многие задачи, которые сегодня стоят перед сельским хозяйством, и обеспечат технологический суверенитет страны, — отметил специалист.
Вместе с тем системный анализ по изучению поведения бактерий имеет и другой прикладной аспект — в медицине, что может оказать содействие в изучении поведения бактерий, вызывающих обострение болезни у человека, сказал руководитель сегмента «Умные цепи поставок» рабочей группы FoodNet (Фуднет) НТИ Сергей Косогор.
— Многие ученые-медики отмечают губительное влияние биопленок, которые состоят из бактериальных клеток, на организм человека: они образуют устойчивые колонии, которые выделяют различные вещества, таким образом они защищают сообщество от воздействий, в данном случае лекарственных препаратов, поэтому изучение механизма, с помощью которого бактерии устанавливают связь и формируют критическую массу, которая препятствует выздоровлению человека, очень актуально, — подчеркнул эксперт.
Бактерии образовывают довольно сложные сообщества. Формируемые бактериями биопленки, образуя сложные структуры, нередко становятся причиной хронических и рецидивирующих инфекций, а также снижают эффективность антибактериальной терапии. Используя для общения друг с другом разнообразные химические сигналы, микроорганизмы научились воспринимать их как социальные сигналы, сообщающие о том, как идут дела в колонии. Это позволяет говорить о том, что у бактерий есть примитивный «коллективный разум», и лишить их этого — важная задача, она позволит уничтожить популяцию бактерий, отметил Сергей Косогор.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Microorganisms.
