В Сколтехе выявили роль случая в возникновении бактерий, устойчивых к антибиотикам
Исследователи из лаборатории Константина Северинова описали роль случайности в процессе приобретения и поддержании клетками бактерий небольших молекул ДНК, называемых плазмидами. Находящиеся на плазмидах гены делают бактерии устойчивыми к антибиотикам, и для борьбы с этим опасным явлением необходимо учитывать выявленные в исследовании закономерности.
Работа опубликована в PNAS. Плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК. Попав в бактериальную клетку, они используют ее ресурсы для того, чтобы воспроизводить самих себя и передаваться в дочерние клетки. Клетки способны бороться с плазмидами с помощью защитных систем CRISPR-Cas.
Название CRISPR-Cas отражает два ключевых компонента системы. CRISPR — своего рода база образцов чужеродной ДНК, с которой ранее сталкивалась бактерия. Они используются для распознавания повторно вторгающихся в клетку вирусов-бактериофагов или плазмид. Затем такую чужеродную ДНК уничтожают белки Cas.
Прежде считалось: будучи узнанными системой CRISPR-Cas, плазмиды либо очень быстро уничтожаются, либо изменяют (мутируют) свою ДНК, так что она становится незаметной для CRISPR-Cas. То есть выдерживать прямую конфронтацию с CRISPR-Cas плазмиды не могут.
«Мы доказали, что это не всегда так, — рассказывает первый автор исследования, аспирант Сколтеха Виктор Мамонтов. — Дело в том, что CRISPR-Cas может устранять конечное число молекул плазмиды в единицу времени. Поскольку плазмидная ДНК постоянно копируется, для каждой пары „плазмида — нацеленная на нее система CRISPR-Cas“ существует такая точка, в которой скорости этих двух разнонаправленных процессов уравновешивают друг друга. Если такое равновесие установится, то плазмида может закрепиться в клетках и без накопления дополнительных мутаций».
Математическое моделирование показало, что небольшой процент клеток, захвативших плазмиду, самопроизвольно приходит в положение равновесия с CRISPR-Cas по воле случая. Мамонтов поясняет: «Хотя при попадании одиночной плазмиды в клетку у нее крайне мало шансов уклониться от защиты CRISPR-Cas, если ей „повезет“, она может успеть размножиться до того, как Cas-белки ее уничтожат. Это не только создает возможность устойчивого существования плазмид в клетках с противодействующей им системой CRISPR-Cas, но и дает дополнительные возможности для возникновения случайных защитных мутаций в плазмидной ДНК, которые полностью выведут ее из-под действия CRISPR-Cas».
«Если перейти от борьбы плазмид за выживание внутри отдельно взятой клетки на уровень клеточной популяции — например, колонии клеток, выросшей на чашке Петри — то здесь нам тоже удалось сделать неожиданное наблюдение, — говорит Мамонтов. — Можно было бы предположить, что в колонии, выросшей на питательной среде с антибиотиком, все клетки будут содержать плазмиды с генами устойчивости к антибиотику, несмотря на противодействие системы CRISPR-Cas.
Оказалось, что это не так: большинство клеток вообще не имеет плазмид и существует в присутствии антибиотика за счет очень немногих клеток, которые достигли устойчивого равновесия между плазмидами и CRISPR-Cas. Именно эти редкие клетки позволяют остальным выжить в присутствии антибиотика».
«По всей видимости, устойчивые к антибиотику клетки помогают остальным, создавая вокруг себя безопасное пространство. И небольшой доли клеток с плазмидами оказывается достаточно на всю популяцию», — говорит Мамонтов. По словам ученых, способность плазмид случайно обходить защитное действие CRISPR-Cas и достигать положения равновесия делает бактериальную популяцию более стабильной, повышая ее разнообразие. Отдельные клетки могут нести ненужную в текущих условиях плазмиду, которая при изменении условий может оказаться полезной и даже спасти популяцию от вымирания.
Предложенная авторами модель включает в себя указанные выше особенности распространения плазмид как в отдельной клетке, так и в клеточной популяции и позволит разрабатывать методы удаления плазмид устойчивости к антибиотикам из клеток патогенных бактерий. Ученые в разных странах стремятся приспособить для этой цели системы CRISPR-Cas: по задумке они смогут лишать особо опасные резистентные бактерии плазмид с генами устойчивости к антибиотикам. Без понимания тонкостей взаимодействия CRISPR-Cas и плазмид создать такие инструменты не получится.