Микробы есть везде — на каждой поверхности, в каждом предмете, в каждом растении и животном. Да, в том числе внутри и внутри вас. Правда, некоторые из них вызывают болезни.Подожди — пока не бери дезинфицирующее средство для рук.
Многие из них являются сожителями в наших телах, предоставляя полезные услуги в обмен на некоторые из наших ресурсов. Это отношения, называемые мутуализмом, в которых мы обеспечиваем комфортный дом, и они возвращают благосклонность бесчисленным множеством интересных способов. Наука только начинает касаться того, что микробы в нашем теле делают для нас.
До сих пор у ученых было лишь смутное представление о том, как возникают эти отношения. Теперь у Колина Дейла и его коллег из Университета Юты есть ответ.
Это хорошие новости и плохие новости, гермофобы: плохие новости? Мутуалистические бактерии начинают свое существование с вторжения в клетки животных, как это делают злонамеренные болезнетворные бактерии.
Хорошие новости? Попав внутрь, они успокаиваются и хорошо играют.«Когда я впервые попал в микробиологию, все дело было в плохих парнях, — говорит Дейл, профессор биологии. «У микробов плохая репутация.
Для нас важно увидеть другую сторону уравнения и понять, как начинаются эти дружеские отношения».Работа Дейла опубликована 10 мая в Cell Host. Microbe и финансировался Национальным институтом здоровья.
Содалис в дикой природе«Мы много знаем о симбиозе, но не знаем, как он начинается», — говорит Дейл. Он и другие исследователи исследуют вопрос о том, как насекомые находят мутуалистических бактериальных партнеров и устанавливают успешные отношения.
Для этого в его лаборатории проводятся сравнительные исследования генетических характеристик как мутуалистического симбионта, так и его «дикого» предка. Сравнение важно и поучительно, потому что симбионты, поселившись в доме-хозяине, теряют гены, в которых они больше не нуждаются. «Без сравнения вы действительно не сможете изучить этот процесс, потому что вы не знаете генетических возможностей прародителя», — говорит Дейл.
Лаборатории Дейла повезло идентифицировать такого прародителя. В 1999 году он опубликовал первое описание Sodalis, рода бактерий, которые, как теперь известно, были приняты независимо в качестве мутуалистических партнеров для широкого круга насекомых-хозяев. Позже, в 2012 году, его коллега связался с ним по поводу полученного им странного биологического образца, взятого от инфекции у человека, который повредил руку во время обрезки мертвой крабовой яблони. Этот экземпляр оказался разновидностью Sodalis, первой идентифицированной разновидности, которая живет независимо от насекомого-хозяина в окружающей среде.
Дейл назвал его Sodalis praecaptivus, обозначив, что он представляет собой Sodalis «до плена». Имея в руках как симбионтов, так и прародителя, Дейл и его коллеги приступили к работе, чтобы выяснить генетические различия между ними.
Куча мертвых долгоносиковГенетический анализ — утомительная работа. Коллега Дейла, постдокторский исследователь Шиничиро Эномото, потратил три года на создание сотен мутантных штаммов S. praecaptivus, лишенных генов, которые могли бы иметь важное значение для размножения бактерий в насекомых-хозяевах.
Затем мутанты вводили долгоносикам, чтобы увидеть, как каждая генетическая мутация влияет на функцию бактерий.Основная цель состояла в том, чтобы идентифицировать гены в предшественнике, которые позволяют ему противостоять действию иммунной системы насекомого. Однако одна мутация показала неожиданное зловещее поведение.
Зараженные долгоносики умрут в течение двух недель.«Они стали неподвижными и упали замертво», — говорит Дейл. «Мы никогда не видели этого раньше».Мутация затронула регуляторную систему, называемую «определение кворума», которая позволяет бактериям определять размер своей популяции насекомого.
У S. praecaptivus гены, чувствительные к кворуму, контролируют гены, которые действуют в рамках вирулентности или способности бактерий агрессивно проникать в клетки. Многие болезнетворные бактерии используют факторы вирулентности для вторжения и разрушения клеток, и они часто используют определение кворума, чтобы активировать эти факторы вирулентности, когда их популяция достигает критического порога для организации разрушительной атаки.
S. praecaptivus, с другой стороны, использует определение кворума, чтобы гарантировать, что вирулентность проявляется только в начале инфекции, чтобы гарантировать успешное внедрение.«У него есть особая генетическая программа, которая позволяет ему проникать в клетки, используя вирулентность, а затем отключать эту вирулентность, чтобы поддерживать доброжелательную или дружественную связь», — говорит Дейл.Последующие тесты подтвердили роль распознавания кворума и вирулентности. Восстановление механизмов распознавания кворума привело к появлению здоровых долгоносиков.
Точно так же мутанты S. praecaptivus, у которых отсутствовала чувствительность кворума, но также отсутствовали гены инсектицидных токсинов, были менее вредными для своих хозяев.Аналогия с такси
Дейл предполагает, что мутуалистические отношения между насекомыми и бактериями возникают в результате того, что бактерии используют насекомых в качестве переносчиков (такси) для перемещения между другими растениями и животными-хозяевами, которых они заражают в окружающей среде. Пассажир садится в такси, потому что хочет добраться до места назначения. Такси обеспечивает поездку, но водитель должен взимать плату за проезд, иначе он / она не сможет конкурировать с другими членами населения и вымрет.
Чтобы компенсировать стоимость поездки, ожидается, что бактерии обеспечат своих насекомых-«водителей» чем-то полезным.«Это дает возможность быть мутуалистическим», — говорит Дейл. «Вы уже нашли то, что нужно таксисту, то есть деньги.
Тогда легко представить, как это означает, что вы никогда не выходите из такси». Пока водитель может поддерживать вашу жизнь, снабжая вас всеми необходимыми питательными веществами, он / она получает особое преимущество — ему никогда не нужно искать другого пассажира.
Последний рубеж вокруг насДейл отмечает, что микробиологические исследования давно сосредоточены на видах, которые влияют на людей, животных и экономически важные сельскохозяйственные культуры.
Недавние достижения в идентификации и секвенировании бактерий позволили все большему количеству сред, включая нашу кожу, ротовую полость и кишечник, раскрывать секреты своего микробного биоразнообразия. Но Дейл говорит, что еще предстоит изучить гораздо больше. «Мы пережили одержимость странными и чудесными источниками проб из вулканических источников, подземными замерзшими озерами и ядерными реакторами, и теперь мы одержимы микробиомом и его ролью в здоровье человека.
Однако, очевидно, есть чему поучиться, особенно в "царство микробной экологии, от изучения микрофлоры, казалось бы, обычных предметов, таких как ветви деревьев", — говорит он.Что касается S. praecaptivus, хотя лаборатория Дейла провела исчерпывающую генетическую работу по выявлению генов вирулентности, вызывающих гибель долгоносиков, он говорит, что ее недостаточно. «Существуют явно новые гены, которые в настоящее время неизвестны науке, которые способствуют уничтожению долгоносиков, — говорит Дейл. — Это одновременно пугает, — говорит он, — и захватывает».