Как бактерии отключают свой «антивирус» и передают устойчивость к антибиотикам

Ученые обнаружили скрытый механизм, который помогает генам антибиотикорезистентности распространяться между микробами

У бактерий тоже есть система кибербезопасности

Когда говорят о CRISPR, большинство вспоминает технологию редактирования генома. Однако изначально CRISPR появилась не в лабораториях, а в самих бактериях.

Для микробов это защитная система, которая помогает распознавать и уничтожать чужеродную ДНК. В первую очередь она защищает бактерии от вирусов-бактериофагов, но также может препятствовать проникновению плазмид — небольших кольцевых молекул ДНК.

Именно плазмиды часто выступают своеобразными «флешками», через которые бактерии передают друг другу полезные генетические инструкции.

Среди таких инструкций особенно опасны гены устойчивости к антибиотикам.

Возникает логичный вопрос: если CRISPR блокирует чужую ДНК, почему обмен генами устойчивости вообще возможен?

Загадка, которая долго оставалась без ответа

Ученые из России, Китая и США решили разобраться, каким образом бактерии обходят собственные защитные механизмы.

Для этого исследователи проанализировали большое количество геномов энтеробактерий — группы микроорганизмов, к которой относятся многие хорошо известные виды, включая кишечную палочку.

Особое внимание уделялось поиску генов, кодирующих анти-CRISPR-белки.

Ранее считалось, что подобные белки в основном используются вирусами. Они помогают бактериофагам подавлять защиту клетки и успешно размножаться внутри нее.

Однако оказалось, что этими инструментами активно пользуются не только вирусы.

Момент осознания: плазмиды научились использовать оружие вирусов

Самый интересный вывод исследования заключается в том, что плазмиды, распространяющие полезные для бактерий гены, также могут переносить анти-CRISPR-белки.

Проще говоря, генетическая «посылка» приходит не одна.

Вместе с геном устойчивости она приносит инструмент для временного отключения охраны.

Сначала анти-CRISPR-белок подавляет работу системы CRISPR. Затем плазмида получает возможность проникнуть внутрь клетки и встроиться в ее генетическую систему. После этого новый ген начинает работать уже в интересах бактерии.

Фактически ученые обнаружили механизм, позволяющий обойти один из важнейших природных барьеров на пути горизонтального переноса генов.

Почему это важно для распространения устойчивости к антибиотикам

Антибиотикорезистентность редко возникает только из-за случайных мутаций.

Во многих случаях бактерии получают готовые гены устойчивости от своих соседей.

Этот процесс называется горизонтальным переносом генов и считается одним из главных двигателей распространения резистентности во всем мире.

Если одна бактерия приобрела защиту от антибиотика, она может передать этот ген другим микроорганизмам.

До сих пор считалось, что системы CRISPR должны значительно ограничивать подобный обмен.

Новая работа показывает, что природа давно нашла способ обойти это ограничение.

Анти-CRISPR-белки позволяют плазмидам преодолевать защиту клетки и увеличивают вероятность закрепления новых генов в популяции бактерий.

Почему открытие касается не только микробиологов

Каждый раз, когда бактерии приобретают новые механизмы защиты от лекарств, эффективность существующих антибиотиков постепенно снижается.

По данным международных организаций здравоохранения, устойчивость к антибиотикам уже сегодня приводит к миллионам тяжелых инфекций ежегодно и рассматривается как одна из крупнейших угроз для глобального здоровья.

Поэтому понимание того, каким образом распространяются гены резистентности, имеет не только фундаментальное значение.

Оно может помочь разработать новые стратегии борьбы с антибиотикорезистентностью.

Если ученые научатся блокировать работу анти-CRISPR-белков или препятствовать их распространению, это потенциально может замедлить передачу опасных генов между бактериями.

От борьбы с вирусами к борьбе за генетическое преимущество

Исследование показывает интересную особенность микробного мира.

Механизмы, которые изначально возникли в эволюционной войне между бактериями и вирусами, со временем начали использоваться другими мобильными элементами ДНК.

Получается своеобразная гонка вооружений.

Бактерии создают систему защиты.

Вирусы создают инструменты ее обхода.

Затем эти инструменты начинают использовать плазмиды.

А сами бактерии получают новые гены, которые помогают им выживать в присутствии антибиотиков.

Чем глубже ученые изучают этот процесс, тем более сложной и динамичной выглядит экосистема микробного мира.

Что меняет новое исследование

Работа не означает, что ученые нашли немедленное решение проблемы антибиотикорезистентности.

Однако она помогает объяснить один из ключевых механизмов, благодаря которому устойчивость способна распространяться так быстро.

Главный вывод состоит в том, что обмен генами между бактериями зависит не только от наличия плазмид, но и от способности временно отключать защитные системы клетки.

Именно анти-CRISPR-белки могут оказаться одним из важных недостающих элементов этой картины.