Могут ли бактерии заниматься сексом? Ученые нашли неожиданный ответ
Ученые из Института науки и технологий Австрии (ISTA) обнаружили, что у бактерий Escherichia coli, оказавшихся на грани голода, обмен генетическим материалом происходит более чем в 100 раз чаще, чем спонтанные мутации. Это открытие ставит под сомнение традиционный взгляд на эволюцию бактерий как на медленный процесс, движимый только точечными изменениями ДНК. На самом деле микробы могут перетасовывать свои геномы значительно быстрее, используя защитные системы от вирусов. Работа, опубликованная в журнале Molecular Biology and Evolution, показывает, что бактерии способны на нечто похожее на половой процесс — без слияния клеток, но с регулярным объединением генов разных особей. Подробности изложены на Phys.org.
Почему бактерий считали бесполыми
Бинарное деление — основной способ размножения прокариот. Каждая клетка делится на две, передавая копию своей ДНК. В таких условиях генетическая изменчивость возникает за счет ошибок копирования — мутаций. Однако еще в прошлом веке ученые поняли, что бактерии могут обмениваться генами напрямую. Этот процесс получил название горизонтального переноса генов (HGT).
Исследователи выделяют три механизма HGT: трансформацию — захват свободной ДНК из среды, конъюгацию — передачу ДНК через прямой контакт клеток с участием пилюса, и трансдукцию — перенос генов вирусами. Долгое время считалось, что такие события редки и не играют большой роли в эволюции. Но данные последних десятилетий намекали, что бактерии могут использовать эти механизмы намного активнее, чем принято думать. А одна из форм трансдукции — генерализованная — как раз позволяет переносить случайные фрагменты хозяйского генома, что важно для новой работы.
CRISPR-Cas помогает вирусам стать опылителями
В новой работе акцент сделан на системе CRISPR-Cas. Это иммунный механизм бактерий, который запоминает фрагменты вирусной ДНК и при повторной встрече распознает и уничтожает вирус. Те же системы стали основой технологии редактирования генов, что сделало их звездами молекулярной биологии.
Оказалось, что у CRISPR-Cas есть неожиданная функция. Когда бактериофаг заражает клетку, он иногда захватывает кусок хозяйского генома и переносит его в другую клетку при следующем заражении. Если новая клетка имеет иммунитет к этому фагу, она выживает и получает чужой фрагмент ДНК. Это позволяет встроить его в свою хромосому и передавать потомкам. Такой процесс полностью соответствует определению полового размножения в эволюционном смысле — он создает новые генетические комбинации.
Павел Пейн и Кэлин Гует называют вирусы, участвующие в этом процессе, «опылителями» — по аналогии с насекомыми, переносящими пыльцу. Исследователи подчеркивают, что для бактерий фаги выступают не только смертельной угрозой, но и средством доставки генетического материала.
Интересно, что Пейн еще во время работы над диссертацией в ISTA обнаружил, что иммунная система бактерий создает коллективный иммунитет в популяции: защита от фагов действует не только на отдельных клетках, но и на всю группу. Тогда он задался вопросом, может ли такая защита помогать микробам перетасовывать ДНК. Новая работа — ответ на этот вопрос.
Голод запускает бактериальный «секс»
Почему бактерии «занимаются сексом» именно при голоде? Эксперименты показали, что в сытой среде E. coli полностью сосредоточена на делении и обмен ДНК минимален. Но когда питательные вещества подходят к концу, ситуация меняется. Исследователи связали этот процесс с конкретным геном стрессового ответа — его активность резко возрастает перед началом переноса ДНК.
С эволюционной точки зрения такое поведение логично. В неблагоприятных условиях популяция должна быстро найти новые адаптации, и перетасовка генов предоставляет для этого материал. Поэтому голодающие бактерии используют вирусы, чтобы ускорить эволюцию, пока еще есть ресурсы для этого.
Частота обмена превосходит мутации
Авторы работы оценили, как часто в популяции голодающих бактерий происходят события переноса ДНК. Оказалось, что по сравнению с обычными мутациями они случаются более чем в 100 раз чаще. Несмотря на то что в абсолютных цифрах такие события все равно не слишком часты, их вклад в генетическое разнообразие очень значителен.
Это позволяет по-новому взглянуть на роль горизонтального переноса в адаптации микробов. Например, если один микроб приобрел устойчивость к лекарству за счет мутации, а другой получил полезный фермент, обмен ДНК позволит объединить эти признаки в одной клетке. По мнению авторов, «секс» у бактерий может также очищать популяцию от вредных мутаций, что дополнительно ускоряет эволюцию.
Бактерии не просто выживают благодаря CRISPR-Cas — они используют эту систему для активной перестройки собственного генома.
Исследователи планируют выяснить, насколько широко распространен такой механизм у других видов бактерий. Возможно, перед нами универсальный способ выживания, который действует в природных экосистемах не менее активно, чем в лабораторных чашках. Если это подтвердится, придется пересмотреть подходы к моделированию микробных популяций и разработке стратегий борьбы с патогенами. А пока остается открытым вопрос: существует ли «секс» у архей или других доменов жизни? Ответы могут оказаться неожиданными.
