Bakterie szybko ewoluują w jelitach człowieka, dzieląc się między sobą elementami genetycznymi. Bacteriodales to liczny rząd bakterii jelitowych, które wymieniają setki elementów genetycznych. Niewiele jednak wiadomo na temat wpływu tych transferów DNA na kondycję bakterii lub żywiciela.
Nowe badania przeprowadzone na Uniwersytecie w Chicago pokazują, że duży, wszechobecny mobilny element genetyczny zmienia antagonistyczną broń Bacteroides fragilis, powszechnej bakterii zamieszkującej ludzkie jelita. Pozyskanie tego pierwiastka wyłącza potężną broń B. fragilis, uzbrajając ją jednak w nową broń, przed którą chroniony jest szczep, który przekazał DNA. Broń ta pomaga bakteriom wycinać nisze w ciasno upakowanych zakamarkach jelit.
Doktor Laurie Comstock, profesor mikrobiologii i członkini Instytutu Rodziny Duchossois w UChicago, a także główna autorka nowego badania, od ponad 10 lat bada różne mechanizmy antagonistyczne Bacteroides i sposób, w jaki przenoszą one DNA. „Te organizmy ewoluują szybko dzięki transferowi DNA. To całkiem niesamowite” – powiedziała. „Wiedzieliśmy, że niektóre szczepy B. fragilis nie potrafią strzelać, ale kiedy zobaczyliśmy, że jest to spowodowane nabyciem dużego mobilnego elementu genetycznego, wiedzieliśmy, że znaleźliśmy coś interesującego”.
Badanie zatytułowane „Wszechobecny mobilny element genetyczny zmienia antagonistyczną broń ludzkiego symbiontu jelitowego” opublikowano 24 października w czasopiśmie Science.
Sprężynowa włócznia z zatrutym końcem
Wiele gatunków Bacteroidales może zabijać sąsiadujące bakterie poprzez wytwarzanie toksyn. Niektóre z tych toksyn po prostu dyfundują z komórki bakteryjnej do otaczającego środowiska, zabijając pobliskie wrażliwe szczepy. Inną bronią jest układ wydzielniczy typu VI (T6SS), czyli nanomaszyna zawierająca spiczastą, sprężynową rurkę wypełnioną toksynami. Kiedy strzela, wstrzykuje toksyny bezpośrednio do sąsiednich komórek niczym włócznia z zatrutym końcem.
Bacteroidales T6SS występuje w trzech różnych typach lub architekturach genetycznych. Jedna, architektura genetyczna 3 (GA3), występuje wyłącznie u B. fragilis i jest bardzo skuteczna w zabijaniu innych gatunków Bacteroides. Pozostałe dwa typy, GA1 i GA2, są kodowane przez geny zawarte w dużych ruchomych elementach genetycznych zwanych elementami integracyjnymi i koniugacyjnymi (ICE). Te GA1 i GA2 ICE szybko przenoszą się między gatunkami Bacteroidales w ludzkich jelitach na całym świecie. Jednakże naukowcy nie zaobserwowali jeszcze tej samej, śmiertelnej siły w GA1 i GA2 T6SS, jak w przypadku GA3 T6SS.
„ICE zawierający GA1 T6SS ICE przemieszcza się przez populacje ludzkie i szybko przenosi się do licznych gatunków Bacteroides w jelitach człowieka” – powiedział Comstock.
Zespół Comstocka rozpoczął badanie naturalnych izolatów B. fragilis, które miały GA3 T6SS lub miały zarówno GA3, jak i GA1 ICE. Osoby z obydwoma ICE nie strzelały już z broni GA3 i nie mogły już zabijać innych gatunków Bacteriodales. Aby wykazać, że było to spowodowane dodatkiem GA1 ICE do tych szczepów, przenieśli GA1 ICE do szczepów B. fragilis zawierających jedynie GA3 T6SS i wykazali, że powstałe nowe szczepy, czyli „transkoniuganty”, były podobnie niezdolne do antagonizowania innych szczepy z ich GA3 T6SS.
Następnie badacze usunęli fragmenty GA1 ICE, aby zobaczyć, który region 116 kilobazowego ICE wyłączał broń GA3. Odkryli, że część regionu GA1 T6SS kodującego kompleks błonowy nanomaszyny GA1 uniemożliwiała wystrzelenie GA3 T6SS.
Następnie zespół chciał zobaczyć, w jaki sposób szczepy będą konkurować w jelitach ssaków. Zaszczepiono doustnie myszy gnotobiotyczne (wolne od zarazków) równą liczbą izogenicznych B. fragilis typu dzikiego (tylko GA3 T6SS) i transkoniuganta GA3/GA1 ICE. Transkoniugant szybko wyprzedził szczep typu dzikiego u myszy. Następnie badacze wykazali, że konkurencja ta była spowodowana antagonizmem przy użyciu GA1 T6SS, co było pierwszą demonstracją silnego antagonizmu GA1 T6SS.
„Nie wiedzieliśmy, czy szczep zawierający GA1 będzie antagonistyczny, więc pomyśleliśmy, że szczep progenitorowy GA3 wygra tę bitwę w jelitach” – powiedział Comstock. „Ale tak się nie stało”.
Zmiana stron i przejście do obrony
Najbardziej nieoczekiwanym odkryciem tego eksperymentu było to, że w jelitach myszy GA3 T6SS w ogóle nie był wytwarzany. Później wykazali, że gen przeniesiony na GA1 ICE koduje represor transkrypcji, który blokuje transkrypcję całego GA3 T6SS, umożliwiając jeszcze lepszą produkcję GA1 T6SS.
Ogólny efekt przeniesienia tego elementu DNA ma konsekwencje dla społeczności drobnoustrojów jelitowych. Szczepy Bacteroidales zawierające GA1 ICE są zabijane przez B. fragilis GA3 T6SS, ale jeśli jeden z tych szczepów może przenieść swoje GA1 ICE do atakującego szczepu B. fragilis, tworzą szczep, który konkuruje z prekursorowym szczepem B. fragilis. Ten nowy szczep nie jest już ukierunkowany na szczep dawcy i może również wykorzystywać GA1 T6SS do wspólnej obrony ekosystemu przed inwazją innych szczepów Bacteroidales.
Comstock planuje kontynuować badania tej zróżnicowanej rodziny represorów transkrypcji, które często są przenoszone na ruchomych elementach genetycznych Bacteroides, i ich wpływu na szczepy biorców.
„Ta rodzina represorów transkrypcji może zostać inaktywowana, gdy zwiążą się z określonymi ligandami. Chcielibyśmy zidentyfikować ligandy w jelitach, które powodują derepresję ich aktywności” – powiedziała.
Badanie wykazało również, że w jelitach myszy transfer GA1 ICE nastąpił szybko, dzięki czemu transkoniugant stał się dużym składnikiem populacji. Sugeruje to, że badacze tworzący syntetyczne konsorcja bakterii do celów terapeutycznych muszą uwzględnić skutki transferu genetycznego.
„Ponieważ bakterie są wybierane do włączenia do konsorcjów jako leki bioterapeutyczne, ważne jest, aby zabezpieczyć się przed wprowadzeniem czegokolwiek, co mogłoby zostać przeniesione do lub z tych szczepów, a co mogłoby mieć szkodliwe skutki” – powiedział Comstock.