Klebsiella pneumoniae обитают в микробиоме кишечника человека, но могут стать проблемой, если попадут в другие части тела. Источник: iStock, :Dr_Microbe

В то время как многие вирусы убивают своих носителей, не все вирусы вредны. На самом деле некоторые из них даже приносят пользу клеткам, которые заражают. Например, умеренные фаги — это вирусы, способные безопасно размножаться внутри определённых штаммов бактерий. Микробиологи давно поняли, что эти фаги могут помогать своим основным носителям, выходя из клеток, чтобы заражать и убивать штаммы-конкуренты.[1]

Но оказывается, что некоторые умеренные фаги могут менять ход бактериальной войны, не покидая комфортных границ своих клеток-хозяев. Недавнее исследование, опубликованное в Science Advances , показало, что некоторые виды умеренных фагов, называемые теломерными фагами, обладают ранее неизвестной способностью: они снабжают своих хозяев генетическими инструкциями для выработки токсинов, предоставляя бактериям оружие для уничтожения конкурентов.[2]

Тревор Литгоу, микробиолог из Университета Монаша, который руководил исследованием, в целом интересовался бактериофагами, но изначально не ставил перед собой задачу открыть новый вид. Вместо этого его и его команду интересовали особенности поверхности, которые определяют, как устойчивый к лекарствам штамм бактерий Klebsiella pneumoniae взаимодействует с окружающей средой. K. pneumoniae — это обитатели микробиома кишечника человека, которые могут вызывать проблемы, если проникают в другие части тела.

Команда Литгоу начала с секвенирования генома штамма. Довольно просто получить достоверную информацию о генетическом коде бактерии с помощью секвенирования коротких прочтений, которое предполагает фрагментацию ДНК клетки, считывание каждого фрагмента и последующую сборку фрагментов в единую последовательность. Но при использовании этого метода не гарантируется идеальная сборка. Кроме того, он не позволяет различать фрагменты ДНК, которые находятся внутри бактерии, но не являются частью ее генома. Эти дополнительные фрагменты ДНК, называемые плазмидами, не содержат основных генов, необходимых для жизнедеятельности бактерий, но часто обеспечивают им уникальные преимущества, такие как устойчивость к антибиотикам или способность перерабатывать новые питательные вещества.

Поскольку Литгоу планировал тщательное исследование этого K. pneumoniae штамма, его команда также обратилась за помощью к сторонним специалистам для проведения секвенирования длинных прочтений, которое позволяет выявить дополнительные фрагменты ДНК. «Человек, который проводил секвенирование и анализировал данные, сказал: “О, я думаю, там есть теломерный фаг”, — рассказал Литгоу. — И нам, конечно же, пришлось срочно искать в PubMed информацию о теломерном фаге, потому что никто раньше о них не слышал». Они узнали, что теломерные фаги — это ДНК-вирусы, покрытые структурами, похожими на теломеры — концы человеческих хромосом, которые, как известно, укорачиваются с возрастом.

Литгоу и его команда проверили, часто ли эти вирусы заражают K. pneumoniae. Ученые изучили ранее опубликованные геномы других штаммов бактерий и обнаружили, что более 10 % из них содержат последовательности, которые на самом деле принадлежат активно реплицирующимся теломерным фагам. Кроме того, многие другие штаммы бактерий содержат несколько сохранившихся генов, оставшихся от перенесенной ранее инфекции. В совокупности эти результаты свидетельствуют о том, что теломерные фаги не только широко распространены среди K. pneumoniae штаммов в наши дни, но и заражали бактерии на протяжении большей части эволюционной истории этого вида.

А вирусы — требовательные гости в своих бактериальных хозяевах. Команда Литгоу выяснила, что инфицированные бактерии обычно содержат около 30 копий вирусной ДНК. «Это довольно большая нагрузка», — сказал Литгоу. Поэтому он понял, что вирус должен давать своему хозяину какое-то конкурентное преимущество, которое компенсировало бы затраты на создание и поддержание такого количества копий вирусной ДНК.

Чтобы выяснить, в чём именно заключается это преимущество, команда Литгоу выделила белки из инфицированных бактерий и с помощью масс-спектрометрии определила белки, кодируемые вирусными генами. Один из вирусных белков оказался токсином, который вызывает образование пор в мембране бактерии, что приводит к гибели клетки. В то же время другой вирусный белок подавлял действие токсина. Таким образом, теломерный фаг снабдил клетку-хозяина токсином для уничтожения конкурентов и противоядием, чтобы клетка-хозяин не убила себя сама. Команда Литгоу вырастила вместе инфицированные и неинфицированные K. pneumoniae и подтвердила, что инфицированные бактерии растут быстрее и требуют больше места и ресурсов, чем их собратья.

Вирус выживает за счёт того, что даёт своему бактериальному хозяину конкурентное преимущество перед другими штаммами. Литгоу стало интересно, получает ли каждый восприимчивый штамм K. pneumoniae доступ к одной и той же паре токсин-антидот после заражения теломерным фагом. Поэтому его команда изучила ДНК фагов, которые они обнаружили в ранее опубликованных геномах K. pneumoniae. На самом деле не все вирусы содержали один и тот же порообразующий токсин и противоядие, но большинство из них содержали бактерицидный токсин и соответствующее противоядие.

«Эта пара всегда находится в одном и том же месте генома, — сказал Литгоу. — Это наводит на мысль, что изначально [пара «токсин — иммунитет»] была особенностью теломерного фага». Со временем в различные штаммы вируса встраивались новые токсины, и некоторые из этих изменений оказались выгодными для фагов и их носителей.

Роберто Бастиас, микробиолог из Папского католического университета Вальпараисо, не принимавший участия в исследовании, счел идею о том, что вирус дает своему бактериальному хозяину оружие, поразительной. Он уже некоторое время изучает бактериофаги и хорошо знаком с идеей о фагах умеренного действия, которые помогают своим хозяевам, заражая и убивая конкурирующие штаммы. «Но для меня это было в новинку», — сказал он. «Что интересно в этом случае, так это то, что токсин способен убивать бактерии, которые [не] восприимчивы к фагу».

Поскольку эти вирусы помогают своим потенциально патогенным носителям процветать, они не являются идеальными кандидатами для фаговой терапии. Однако их генетический материал содержит информацию о новых антибиотиках, которые, как надеется Бастиас, будут разработаны в будущем.

Ссылки:

1. Ховард-Верона К. и др. Лизогения в природе: механизмы, влияние и экология умеренных фагов. ISME J. 2017;11:1511-1520.

2. Байерс, С. М. Х. и др. Теломерные бактериофаги широко распространены и снабжают своих бактериальных хозяев мощным межбактериальным оружием. Sci Adv. 2025;11(18):eadt1627.