Вчені вирішили одну із загадок мікробіології: як спільноти мікробів зберігають свою спеціалізацію, незважаючи на зміни видового складу. Виявилося, бактерії “вчать новачків” потрібної поведінки, просто завалюючи їх пакетами генетичної інформації.
Ділянка мікробіому кишечника, де різними кольорами підсвічені різні види бактерій / © NIAID
Біологи з Університету Дьюка (США) запропонували просте пояснення, як мікроби утворюють спільноти, де всі її члени виконують одні й ті ж функції, незалежно від виду окремих мікроорганізмів. Виявилося, мікроби через горизонтальний перенос генів постійно обмінюються інструкціями, що потрібно робити в поточному середовищі. Таким генетичним пресингом спільноти буквально перепрограмують своїх нових учасників, завдяки чому можуть існувати як завгодно довго, повідомляють вчені в журналі Nature Chemical Biology.
Мікроби живуть повсюдно на Землі і зазвичай вони збираються в спільноти (мікробіоми) — великі групи мікроорганізмів, які живуть в спільному середовищі, виконують однакові функції і мають схожі властивості. Наприклад, в мікробіом людського кишечника входять кілька сотень видів бактерій, але всі вони займаються одним і тим же ділом: переробляють їжу і знищують шкідливі бактерії, що надходять з їжею. Вчені довго не могли зрозуміти, як саме мікробіомам вдається зберігати таку одноманітність функцій і властивостей, якщо в співтоваристві можуть бути сотні видів мікробів.
Американські біологи звернули увагу на гени, що кодують ту чи іншу функцію. Їх кількість в генофонді мікробіому залишається напрочуд постійним, навіть якщо один вид мікробів в співтоваристві різко змінився на інший. Вчені припустили, що тут задіяний горизонтальний перенос генів. Це процес передачі генетичної інформації між організмами одного покоління, а не від батьків до потомства, як зазвичай відбувається. Таким способом бактерії отримують нові функції (наприклад, вміння протистояти новому антибіотику), яких немає в їх вродженому генетичному коді. Образно кажучи, мікроорганізми навчають один одного новим навичкам.
Стійкість генів в мікробіомі безпосередньо залежить від частоти їх передачі між мікробами / © Університет Дьюка
Вчені успішно перевірили свою гіпотезу за допомогою комп’ютерного моделювання, після чого провели експеримент на реальних мікробах. У їхніх спільнотах було до 72 різних видів бактерій, які постійно змінювали свій генетичний склад — до 13 генів одночасно. Спостереження показали, що рівень стабільності тих чи інших генів прямо пропорційний частоті обміну цими генами. Найстабільніші гени, які якраз відповідали за основні функції в тому чи іншому мікробіомі, буквально наповнювали собою середовище проживання бактерій. Пакети цієї генетичної інформації постійно циркулювали між мікробами, не залишаючи їм шансу “навчитися” якимось іншим функціям.
Нове дослідження цікаве не тільки поясненням того, як спільноти бактерій зберігають стабільність. Використовуючи горизонтальне перенесення генів, можна штучно створювати програмовані мікробіоми, які будуть виконувати корисні функції. Наприклад, очищати водойми від бруду і токсичних речовин або перетворювати відходи в біопаливо. За словами Лінчонга Ю, професора біомедичної інженерії і одного зі співавторів роботи, їх підхід дозволяє не турбуватися про видовий склад мікробіомів — бактерії самі «змусять» своїх сусідів робити потрібну роботу.