Τα «ευρυζωνικά» δίκτυα ιών μπορεί να βοηθήσουν τα βακτήρια να εξελιχθούν ταχύτερα

Τα βακτήρια έχουν ένα ύπουλο εξελικτικό πλεονέκτημα:τη δική τους εκδοχή του Διαδικτύου για την ανταλλαγή λύσεων επιβίωσης. Είναι ένα ζωντανό δίκτυο ιών που μπορεί να μεταφέρει γενετικές πληροφορίες μεταξύ άσχετων κυττάρων. Γνωστή ως μεταγωγή, αυτή η διαδικασία είναι ένας από τους τρόπους με τους οποίους τα βακτήρια μπορούν να παρακάμψουν την κατακόρυφη κληρονομικότητα από γενιά σε γενιά και αντ' αυτού να μοιράζονται πληροφορίες οριζόντια, επιτρέποντας στα γονίδια που διαμορφώνονται αργά από τη φυσική επιλογή να εισέλθουν σε έναν νέο πληθυσμό σε μια στιγμή.

Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι αυτό το δίκτυο μεταγωγής πρέπει να επηρεάσει την βακτηριακή εξέλιξη σε όλη τη διάρκεια των αιώνων, αλλά υπέθεσαν ότι η βραχυπρόθεσμη επίδρασή του μπορεί να είναι περιορισμένη επειδή τα συμβάντα μεταγωγής φαινόταν σπάνια. Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στο Science Ωστόσο, ανακάλυψε έναν νέο μηχανισμό μεταγωγής που συμβαίνει 1.000 φορές πιο συχνά και που μπορεί να επιταχύνει την βακτηριακή εξέλιξη σε παρόμοιο βαθμό. Η μεταγωγή μπορεί στην πραγματικότητα να είναι μια κεντρική δύναμη στην βακτηριακή εξέλιξη.

«Είχαμε υποθέσει ότι η μεταγωγή συνέβη με ρυθμούς ανάλογους με το dial-up internet», δήλωσε ο John Chen, επίκουρος καθηγητής μικροβιολογίας και ανοσολογίας στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης και κύριος συν-συγγραφέας αυτής της μελέτης. "Αλλά φαίνεται ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, τα ποσοστά μεταγωγής είναι περισσότερο παρόμοια με την ευρυζωνική σύνδεση." Τα αποτελέσματά τους όχι μόνο υποδηλώνουν ότι η μεταγωγή κάνει την οριζόντια μεταφορά γονιδίων πολύ πιο κοινή, αλλά επίσης ότι αυτό το βακτηριακό Διαδίκτυο μπορεί να έχει διαμορφωθεί από επιλογή προς όφελος τόσο των βακτηρίων όσο και των ιών που ονομάζονται βακτηριοφάγοι.

Ένας βακτηριοφάγος μοιάζει με ένα σεληνιακό στοιχείο προσγείωσης που διασταυρώνεται με μια αράχνη, σαν κάτι από τον εφιάλτη ενός αραχνοφοβικού αστροναύτη. Προσγειώνεται σε ένα βακτήριο, τρυπάει την κυτταρική μεμβράνη και εγχέει το DNA του στο κύτταρο. Από εκεί, ο ιός πειράζει τον κυτταρικό μηχανισμό του ξενιστή για να δημιουργήσει αντίγραφα του εαυτού του, τα οποία στη συνέχεια εξέρχονται από το κύτταρο για να μολύνουν άλλα βακτήρια. Σε σπάνιες περιπτώσεις, κομμάτια βακτηριακού DNA συσκευάζονται στις κάψουλες των φάγων και προστίθενται στο γονιδίωμα των μετέπειτα μολυσμένων βακτηρίων. Αυτή η γενετική μεταφορά είναι γνωστή ως γενική μεταγωγή.

Ένας βακτηριοφάγος έχει επίσης μια άλλη επιλογή:τα γονίδιά του μπορούν να γλιστρήσουν στο γονιδίωμα του βακτηρίου απαρατήρητα και να παραμονεύουν. Γνωστό ως προφήτης, αυτό το τμήμα ξένου DNA μπορεί να παραμείνει για γενιές πριν ενεργοποιηθεί. Περίπου τα μισά από όλα τα βακτήρια που έχουν προσδιοριστεί ακολουθία περιέχουν προφάγο και πολλά φιλοξενούν περισσότερα από ένα.

Μόλις ενεργοποιηθεί, ο προφάγος αποκόπτεται από το βακτηριακό γονιδίωμα, αντιγράφεται και στη συνέχεια συσκευάζει το DNA του σε φάγους. Περιστασιακά, υπάρχει ένα σφάλμα στην κοπή και ένα μικρό μέρος του βακτηριακού γονιδιώματος αντιγράφεται και συσκευάζεται μαζί με τον προφάγο. Όταν αυτός ο βακτηριοφάγος μολύνει έναν άλλο ξενιστή, το κομμάτι του βακτηριακού DNA ενσωματώνεται στο γονιδίωμα του νέου ξενιστή σε μια διαδικασία που ονομάζεται εξειδικευμένη μεταγωγή.

Τα συμβάντα γενικευμένης μεταγωγής είναι σπάνια, συμβαίνουν της τάξης μιας φοράς ανά εκατομμύριο φάγους και οι εξειδικευμένες μεταγωγές είναι ακόμη λιγότερο συχνές. Ωστόσο, τα περιστατικά ατυχημάτων μπορεί να είναι ευεργετικά σε μια εξελικτική κλίμακα. Αλλά η ταχύτητα με την οποία ορισμένα βακτήρια προσαρμόζονται στις περιβαλλοντικές αλλαγές προκάλεσε προβληματισμό στον Τσεν. Μελετά τον Staphylococcus aureus , το διαβόητο ανθρώπινο παθογόνο πίσω από τις λοιμώξεις από σταφυλόκοκκο που αναπτύσσει την αντοχή στα αντιβιοτικά εξαιρετικά γρήγορα.

Ανθεκτικά στελέχη σταφυλόκοκκου εμφανίζονται σχεδόν πάντα μέσα σε ένα ή δύο χρόνια μετά την εισαγωγή ενός νέου φαρμάκου. Ανθεκτικό στη μεθικιλλίνη Staphylococcus aureus, ή MRSA, είναι ένα πολύ γνωστό παράδειγμα:Ανθεκτικά στελέχη εμφανίστηκαν αμέσως μετά την εισαγωγή του αντιβιοτικού μεθικιλλίνης στη δεκαετία του 1950, και τώρα το MRSA είναι μια μάστιγα στα νοσοκομεία σε όλο τον κόσμο. «[Σ. aureus ] προσαρμόζεται εξαιρετικά γρήγορα και ένιωσα ότι υπήρχε κάτι περισσότερο σε αυτό», είπε ο Chen. Οι γνωστές εξηγήσεις για τον μηχανισμό μεταγωγής δεν τον ικανοποιούσαν, "αλλά αυτό ήταν απλώς μια αίσθηση εντέρου, όχι ένα επιστημονικό συμπέρασμα."

Οι υποψίες του Chen βάθυναν όταν είδε ένα περίεργο αποτέλεσμα από τον συνεργάτη του José Penadés από το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, έναν συν-συγγραφέα αυτής της μελέτης. Όταν οι Penadés και Chen εξέτασαν την εξέλιξη της παραγωγής φάγων στο S. aureus, παρατήρησαν μια περίεργη ασυμφωνία:Φαινόταν ότι το DNA του φάγου αντιγραφόταν και συσκευαζόταν πολύ πριν αποκοπεί οποιοδήποτε ιικό DNA από το γονιδίωμα του ξενιστή.

Αυτή η καθυστέρηση είχε δυνητικά βαθιές επιπτώσεις. Εάν το DNA του προφήτη αντιγραφόταν και γεμιζόταν σε ιικές κάψουλες ενώ ήταν ακόμη ενσωματωμένο στο γονιδίωμα του ξενιστή, τότε θα υπήρχαν πολλές περισσότερες ευκαιρίες για ολισθήσεις στις οποίες γειτονικά κομμάτια βακτηριακού DNA θα αντιγραφούν και θα εγκλείονταν σε έναν φάγο - θα επεκτείνονταν πάρα πολύ τις πιθανότητες για οριζόντια μεταφορά γονιδίων σε άλλα βακτηριακά είδη.

Αυτός ο μηχανισμός καθυστερημένης εκτομής είχε παρατηρηθεί σε τεχνητά δημιουργημένα μεταλλάγματα αλλά ποτέ στη φύση. Οι Chen, Penadés και οι συνάδελφοί τους απέδειξαν όχι μόνο ότι αυτός ο νέος μηχανισμός μεταγωγής εμφανίζεται φυσικά στο S. aureus , αλλά και ότι είναι 1.000 φορές πιο συχνός από άλλους τρόπους μεταγωγής.

«Είμαστε έκπληκτοι», είπε ο Τσεν. «Περιμέναμε σχετικά χαμηλά επίπεδα, αλλά αυτό ήταν ακραίο». Πρόσθεσε, "Δείξαμε τα δεδομένα σε μερικούς από τους συναδέλφους μας, και ήταν σχεδόν δυσπιστία."

Η "πλευρική μεταγωγή", όπως την ονόμασαν οι ερευνητές, συλλαμβάνει επίσης μεγαλύτερες επιφάνειες του γονιδιώματος από τη γενική και εξειδικευμένη μεταγωγή, ειδικά για βακτήρια με πολλαπλούς προφάγους μέσα στο γονιδίωμά τους. "Τώρα καταλαβαίνουμε ότι πολύ μεγαλύτερα τμήματα του γονιδιώματος είναι υπερκινητικά", είπε ο Chen.

«Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η μεταγωγή είναι μια πολύ ισχυρότερη δύναμη στην βακτηριακή εξέλιξη από ό,τι είχαμε συνειδητοποιήσει προηγουμένως», δήλωσε ο Άλαν Ντέιβιντσον, καθηγητής μικροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο που δεν συμμετείχε σε αυτή τη μελέτη. "Θα μπορούσε πραγματικά να μας βοηθήσει να εξηγήσουμε όχι μόνο τη μακροπρόθεσμη εξέλιξη, αλλά και τη βραχυπρόθεσμη εξέλιξη."

Ο Davidson σημείωσε επίσης ότι ορισμένες ανεξήγητες ιδιορρυθμίες των γονιδιωματικών δεδομένων έχουν περισσότερο νόημα υπό το φως της πλευρικής μεταγωγής. Αναφέρει μια πρόσφατη μελέτη στην οποία ποντίκια υποβλήθηκαν σε θεραπεία με σιπροφλοξασίνη, ένα αντιβιοτικό που δρα ενεργοποιώντας τους προφάγους. Η θεραπεία παρήγαγε μια άνθηση γονιδίων αντίστασης στα αντιβιοτικά μεταξύ των ιών φάγων στα ποντίκια, σύμφωνα με την ενεργοποίηση του προφάγου που προκαλεί αύξηση της πλευρικής μεταγωγής.

Ένα άλλο μυστήριο που θα μπορούσε να λύσει η πλευρική μεταγωγή είναι η ύπαρξη «νησιών παθογένειας» - κομμάτια βακτηριακών γονιδιωμάτων που περιέχουν μια γενετική εργαλειοθήκη για την αποφυγή της αντοχής στα αντιβιοτικά και για να γίνουν πιο λοιμώδεις. Διακοσμούν τα γονιδιώματα πολλών παθογόνων ειδών Σταφυλόκοκκου , αλλά παραδόξως απουσιάζουν στους μη παθογόνους στενούς συγγενείς τους. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να εξηγήσουν αυτό το μοτίβο, αλλά η πλευρική μεταγωγή παρέχει έναν εύλογο μηχανισμό.

Πράγματι, αν και χρειάζεται περισσότερη δουλειά για να το επιβεβαιώσουμε, ορισμένα στοιχεία υποδηλώνουν ότι πολλοί S. aureus τα νησιά παθογένειας μπορεί να συγκεντρωθούν γύρω από τοποθεσίες προσκόλλησης προφάγου. "Είναι ένα πολύ έξυπνο μέρος για να το εντοπίσετε αν θέλετε να ταξιδέψετε σε όλο τον κόσμο", είπε ο Penadés.

Η παρατήρηση του Penadés εγείρει την πιθανότητα ότι η πλευρική μεταγωγή μπορεί να είναι περισσότερο μια καινοτομία παρά ένα λάθος, προϊόν μιας μακροχρόνιας συν-εξελικτικής διαπραγμάτευσης μεταξύ βακτηρίων και ξενιστή. Ο ιός μπορεί να εξαπλωθεί πιο εύκολα ενισχύοντας τη φυσική κατάσταση και τη λοιμογόνο δύναμη του ξενιστή του, ενώ για τα βακτήρια, τα πλεονεκτήματα της σύνδεσης στο ιικό δίκτυο των ευεργετικών γονιδίων μπορεί να υπερτερούν της παράπλευρης βλάβης από τον προφάγο που σκοτώνει ορισμένα κύτταρα.

Η Olga Zhaxybayeva, αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Dartmouth College που μελετά τη συνεξέλιξη βακτηρίων και ιών και δεν συμμετείχε σε αυτή τη μελέτη, ενδιαφέρεται από αυτά τα ευρήματα. Ωστόσο, προειδοποιεί να μην υποθέσουμε ότι η επιλογή έχει βελτιώσει αυτόν τον μηχανισμό προς όφελος και των δύο μερών. "Είναι σίγουρα μια ενδιαφέρουσα πιθανότητα και αξίζει να δοκιμαστεί, αλλά δεν μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ακόμα", είπε.

«Αυτά τα αποτελέσματα είναι αρκετά εκπληκτικά», δήλωσε η Christine Schneider, ιολόγος και αναπληρώτρια καθηγήτρια βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Carroll. "Είναι ένας τόσο συναρπαστικός μηχανισμός και είμαι περίεργος να μάθω αν είναι ευρέως διαδεδομένο μεταξύ άλλων βακτηρίων."

Ο Chen συμφωνεί ότι η πλευρική μεταγωγή πρέπει να ερευνηθεί σε περισσότερες βακτηριακές ομάδες, αλλά πιστεύει ότι ο μηχανισμός είναι πιθανότατα διαδεδομένος. Η ομάδα του σχεδιάζει να διερευνήσει περισσότερα βακτηριακά είδη και να αναζητήσει στοιχεία ότι η πλευρική μεταγωγή συμβαίνει σε φυσικά περιβάλλοντα. «Η πλευρική μεταγωγή, αν είναι κοινή, θα μπορούσε να είναι πραγματικά ισχυρή», είπε ο Chen. "Ένα πλήρες σύνολο γονιδίων μπορεί να παραδοθεί σε ένα βακτηριακό κύτταρο που δεν το έχει ξαναδεί, παρακάμπτοντας εκατομμύρια ή ακόμα και ένα δισεκατομμύριο χρόνια εξέλιξης σε ένα δευτερόλεπτο."