Ново изследване разкри оръжието, което микроорганизмите използват, за да ликвидират конкуренцията за храна

Бактериите са микроскопични убийци. Учените отдавна са открили, че те се убиват взаимно - това е част от микробния живот. Но ново изследване на екип от Университета на щата Аризона и международен екип от техни колеги разкрива нещо още по-ужасяващо: някои бактерии не просто убиват своите съседи. Те ги изяждат.

Публикувано на 12 юни в сп. “Сайънс”, изследването показва, че при условия на недостиг на хранителни вещества някои бактерии използват брутално молекулярно оръжие – секреторна система тип VI (T6SS), за да намушкват, тровят, убиват и консумират своите съседи като стратегия за оцеляване.

“Подтекстът е: когато нещата станат трудни, изяждаш съседите си”, казва Глен д'Суза, старши автор, доцент в Училището по молекулярни науки към Университета на Аризона и основен преподавател в Центъра по биодизайн за фундаментална и приложна микробиомика.

“Знаем, че бактериите се убиват взаимно, това е учебникарско правило. Но сега виждаме, че не е важно само бактериите да имат оръжия за убиване, а да използват контролирано тези оръжия специално за ситуации, в които се озоват в ситуация, която не им позволява да се развиват сами.”

Разбирането на тези микробни оръжия би могло да помогне на изследователите да проектират по-интелигентни пробиотици, да подобрят моделите на климатичната система на Земята и да разработят нови инструменти за борба с болестите.

“Повечето бактерии тихо събират хранителни вещества от заобикалящата ги среда, но някои са известни като специализирани ловци, убивайки и консумирайки други организми или клетки - обяснява Феран Гарсия-Пичел, професор в университета “Риджънтс” и директор на Центъра по биодизайн за фундаментална и приложна микробиомика. - Това проучване и екипът на д-р Д'Суза разкриват, че

дори така наречените безвредни бактерии могат да се превърнат в убийци при стрес

Когато ресурсите се изчерпят, дори на пръв поглед безобидни микроорганизми могат да се превърнат в килъри – нещо като микробен Джекил и Хайд (по романа “Странният случай на д-р Джекил и мистър Хайд” на Робърт Луис Стивънсън - б.а.). Оказва се, че красотата им е само повърхностна.”

T6SS наподобява микроскопичен харпун. Бактерията изстрелва оръжие, подобно на игла, в близките клетки, инжектирайки токсини, които фатално ги разкъсват. В същото време микроорганизмите, които правят това, притежават антидот, който ги предпазва от собствената им отрова.

В исторически план учените са смятали, че тази система е предназначена главно за изчистване на съперниците, за да се освободи място, но мултиинституционалният изследователски екип, който включва също изследователи от Технологическия университет на Цюрих и Швейцарския федерален институт за водни науки и технологии, е открил, че бактериите не убиват само за територия, а стратегически за храна и за да си помогнат да растат.

Използвайки изображения с ускорен кадър, генетични инструменти и химическо маркиране, учените наблюдавали в забавен каданс микроскопичните убийци в действие.

Както в океана, така и в човешките черва бактериите, снабдени с T6SS, атакували съседите си, когато били лишени от хранителни вещества, и след това се развивали, като

се хранели с изтичащите останки на покойниците

Специалистите наричат това “канибализъм на оцеляването”.

При предишни изследвания (процесът е проучван от близо две десетилетия) бактериалният канибализъм е бил наблюдаван предимно при спорулиращи бактерии като Bacillus subtilis. Този процес помага на популацията да преживее периоди на стрес или ограничение на хранителните вещества, като забавя енергоемкия процес на спорулация.

За да докаже, че наблюдаваният механизъм на действие не е просто съвпадение, екипът генетично изключил T6SS в някои щамове. Когато тези модифицирани бактерии били поставени в бедна на хранителни вещества среда с потенциална плячка, те не можели да растат. Но нередактираните бактерии, които все още били способни да убиват, процъфтявали. Тяхното оцеляване зависело от убийството. Екипът също така анализирал бактериални геноми в морска среда и установил, че тези системи за убиване са широко разпространени. “Това не се случва само в лабораторията - твърди Д'Суза. - То присъства в много различни среди и е оперативно в природата - от океаните до човешките черва.” Много неща все още остават неясни за странните светове на бактериите, но чрез разкриването на стратегиите, които те използват, за да оцеляват, учените започват да пренаписват правилата на микробния живот.

“Наблюдението на тези клетки в действие наистина показва колко находчиви могат да бъдат бактериите” - посочва Астрид Щубуш, съавтор на изследването и бивша докторантка в Техническия университет на Цюрих. - Чрез бавно освобождаване на хранителни вещества от своите съседи те максимализират събирането на продоволствия, когато всяка молекула е от значение. Така се разкрива нова връзка в микробната хранителна мрежа, която не сме оценявали преди.”

Това прозрение има широкообхватни последици. Ако учените могат да разберат по-добре как и защо работят тези бактериални оръжия, те могат да започнат да проектират по-умни пробиотици, такива, които не просто съществуват едновременно в червата ви, но и активно ги защитават, като унищожават вредните микроби.

Това би могло да доведе и до нови антибиотици

във време, когато лекарствената резистентност е във възход. Същият харпун, който бактериите използват за извличане на хранителни вещества от конкурентите, би могъл да бъде използван за доставяне на лекарства директно в проблемните патогени - предлагайки нова граница в целенасочените, устойчиви на резистентност терапии.

Чрез декодиране на това как микроскопичните бактерии се убиват и консумират взаимно, това изследване би могло да промени начина, по който мислим за екосистемите - от човешките черва до огромните океани, които регулират климата на Земята.

Откриването и изучаването на явления, подобни на бактериалния канибализъм, насърчават учените да преразгледат установените концепции и парадигми в микробиологията. Смъртта на една част от популацията в полза на оцеляването на другата позволява на изследователите да разглеждат микробните общности като някакъв вид многоклетъчни организми с ясно диференциране на клетките в специализирани субпопулации и разделение на труда. По време на гладуване някои от тях стават жертви и умират, докато други действат като убийци и оцеляват, спасявайки самия вид. Такова разбиране за бактериалните общности може да помогне за разработването на чисто нови антибактериални лекарства, които ще се фокусират върху сложната система от взаимовръзки в рамките на една общност, а не върху убиването на една отделна бактериална клетка, която се адаптира бързо към всяко възможно въздействие.