Бактериофаги — самые многочисленные и филогенетически разнообразные биологические существа на Земле, однако экологические механизмы, поддерживающие это необычайное разнообразие, остаются неясными. Международная группа ученых обнаружила, что популяция фагов более разнородна, чем популяция их хозяев. Разные фаги способны совместно колонизировать бактерий-хозяев, причем сосуществование нескольких фагов достигается «разделением труда».
Credit:
123rf.com
Бактериофаги оказывают значительное влияние на функционирование различных микробных экосистем. Количество фаговых вирионов на Земле оценивается в 1031. Предполагается, что огромное разнообразие фагов возникло благодаря генотипическому разнообразию хозяев. Принцип конкурентного исключения предполагает, что в генетически однородной популяции хозяев может быть только один фаг, специализирующийся на них. Для сосуществования нескольких видов фагов в одной среде необходимо генетическое разнообразие хозяев, и эксперименты с многовидовыми бактериальными сообществами это подтвердили.
Однако таксономическое разнообразие фагов намного превышает разнообразие их бактериальных хозяев в различных экологических нишах, а иногда встречается и на уровне отдельных клеток — в некоторых средах инфицированные бактерии содержат два или более различных видов фагов. В таких условиях разнообразие фагов не может объясняться только разнообразием хозяев, и поисками других механизмов занялись авторы публикации в Science.
Международная группа ученых проверила возможность совместного существования различных популяций фагов, выделенных в природе, при их взаимодействии с неэволюционирующей E. coli (штамм K-12 BW25113) в стабильных и контролируемых лабораторных условиях. Фаги были выделены из различных образцов окружающей среды, таких как помет животных и речная вода. Всего авторы собрали 27 штаммов бактериофагов (Caudoviricetes) с двуцепочечной ДНК. Коллекция отличалась значительным генетическим, жизненным и таксономическим разнообразием (10 семейств, 13 родов, 24 вида и 27 штаммов). Из 27 бактериофагов 14 были литическими (лизируют инфицированные клетки хозяина), 13 — умеренными (могут интегрироваться в бактериальный геном). Большинство фагов имели характерную морфологию бляшек, а гомология последовательностей была низкой, за исключением фагов из одного семейства.
Комбинируя штаммы из коллекции по 10, ученые создали 10 различных фаговых сообществ, после чего проверяли их способность к сосуществованию на неэволюционирующих микроорганизмах-хозяевах. Фагов пересаживали на E. coliкаждые 24 часа, причем перед каждым пассажем фильтровали фаговый компонент, чтобы удалить выжившие бактериальные клетки. На 12-м пассаже оставшихся фагов идентифицировали, проводя шотган-секвенирование всего сообщества, сборки фаговых геномов denovo и сравнения с собранной ранее коллекцией. Все 10 конечных фаговых сообществ сохраняли экологическое разнообразие, причем в каждом сообществе сосуществовали от двух до четырех штаммов фагов, принадлежащих как минимум к двум разным семействам. Возникающее разнообразие было связанно с жизненным циклом фага: все оставшиеся фаги были литическими, а фаги умеренного типа никогда не присутствовали в конечном пассаже (дополнительные эксперименты показали, что это объясняется конкуренцией со стороны литических фагов).
Чтобы оценить скорость формирования сообщества в течение всего эксперимента, авторы оценивали численность фагов на каждом пассаже, опираясь на морфологию бляшек. Фаги, которые преобладали в последнем пассаже, обычно становились доминирующими членами сообщества уже к третьему. Напротив, те фаги, которые «не доживали» до конца эксперимента, к этому времени опускались ниже предела обнаружения.
Один из способов стабильного сосуществования конкурирующих видов — разделение ниши их общего ресурса. По-видимому, сосуществующие фаги были к этому способны. Эксперименты показали также, что выход нескольких видов фагов из одной и той же клетки — редкое явление. Иными словами, штаммам фагов не требовалось совместно заражать отдельные клетки, чтобы сосуществовать в популяции.
Исследователи обнаружили, что, несмотря на конкуренцию между вирусами, разные виды фагов предпочитали клетки с различными темпами роста —медленные или, напротив, быстрорастущие. Таким образом, каждый штамм фага находил свою нишу на одном и том же хозяине, что позволило им стабильно уживаться вместе.
Таким образом, разнообразие физиологии хозяина имеют решающее значение для фаговых сообществ, определяя относительную численность различных видов и поддерживая их сосуществование в изогенной популяции хозяина. Даже среди клональных, выращенных в лаборатории популяций E. coli фенотипическая гетерогенность возникает спонтанно. Эти результаты связывают экологию фагов с экологической теорией сосуществования вирусов млекопитающих, когда несколько вирусов могут сохраняться на одном хозяине, специализируясь на разных типах клеток или тканей.
Разработчики фаговых терапий надеются избежать проблемы, возникающей при лечении антибиотиками, когда определенный препарат убивает бактерии, но оставляет в живых ту часть, которая по случайности оказалась наиболее устойчивой к механизму действия лекарства. Эти выжившие бактерии становятся устойчивыми к имеющимся методам лечения.
«Знание того, как несколько видов фагов могут выживать в течение длительного времени на одной бактерии, может помочь в разработке фаговых коктейлей следующего поколения, — говорит первый автор исследования доктор Нора Пайенсон. — Например, каждый вид фагов может атаковать бактерию на разных этапах ее жизненного цикла, что позволит уничтожить всю популяцию до того, как разовьется устойчивость к лечению».
Также доктор Пайенсон уточняет, что в настоящий момент ни одна фаговая терапия не стала стандартным методом лечения бактериальных инфекций либо потому, что в прошлых попытках один фаг не убивал все бактерии-мишени, либо потому, что бактерии развивали устойчивость по аналогии с антибиотикорезистентностью.
Вирусы эукариот и бактериофаги защищаются от иммунитета хозяина одинаковыми способами
Источник
Pyenson, N.C . et al. Diverse phage communities are maintained stably on a clonal bacterial host// Science (2024), Vol 386, Issue 6727, Published Online 12 December, 2024. DOI: 10.1126/science.adk1183
Цитата по пресс-релизу