Бактерии не просто изменяют свои гены — они перерабатывают их. Исследователи установили, как это приводит к появлению множества вариантов токсинов и потенциальных новых лекарств.
Бактерии способны синтезировать сложные химические соединения, которые помогают им противостоять конкурентам и улучшать методы атаки на организмы-мишени. Некоторые из этих веществ впоследствии становятся основой для создания лекарств, особенно антибиотиков. Ученые установили, как микроорганизмы могут разнообразить свое «химическое оружие» и почему эволюция не всегда движется в сторону максимальной эффективности.
Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution. Команда под руководством Хельге Боде из Института земной микробиологии Общества Макса Планка и Георга Хохберга из Марбургского университета изучила GameX-пептиды (GXP) — инсектицидные соединения, которые производят бактерии Xenorhabdus и Photorhabdus.
Эти микроорганизмы участвуют в сложной трехсторонней паразитической цепочке. Они изначально обитают в кишечнике нематод, которые инфицируют личинок насекомых. После того как паразитические черви проникают в организм жертвы, бактерии высвобождаются и способствуют ее уничтожению с помощью токсичных пептидов. Однако насекомые могут развивать устойчивость, и поэтому бактериальное оружие также претерпевает изменения.
Производство пептидов основывается на крупных ферментных комплексах — нерибосомальных пептидсинтетазах. Их можно представить как молекулярный конвейер: отдельные модули последовательно добавляют аминокислоты, формируя готовое соединение. При этом эволюция таких комплексов отличается от привычных изменений отдельных участков ДНК: они могут обмениваться целыми фрагментами генов, создавая новые комбинации модулей.
Ученые обнаружили 49 различных соединений GXP, включая укороченные циклические тетрапептиды и удлиненные гексапептиды. Некоторые бактериальные линии независимо достигли идентичных или очень похожих структур. Чтобы восстановить историю этих изменений, исследователи реконструировали общего предка фермента GxpS: им пришлось восстановить около 15 тысяч пар оснований ДНК, собрать из них функциональный ген и заставить его работать в кишечной палочке Escherichia coli.
Эволюция не всегда выбирает лучшее
Эксперименты показали, что разнообразие токсинов обусловлено тремя факторами: естественным отбором, генетическим дрейфом и особенностями рекомбинации — обмена участками генов.
Первый механизм способствует закреплению изменений, повышающих летальность токсина в отношении определенных насекомых. Исследования с четырьмя видами насекомых подтвердили, что разные варианты GXP убивают жертв с различной эффективностью.
Второй фактор — генетический дрейф, то есть случайное закрепление изменений, которые не дают очевидного преимущества. Он особенно актуален из-за жизненного цикла бактерий: каждую нематоду первоначально заселяет лишь небольшое количество бактериальных клеток. Такие узкие места уменьшают популяцию и усиливают роль случайности.
Наконец, обмен генетическими фрагментами происходит не равномерно. Модули, имеющие схожие последовательности, чаще обмениваются между собой. Поэтому бактерии в основном комбинируют уже существующие варианты аминокислот, хотя теоретически доступен гораздо более широкий набор — до 300 вариантов. Повторные обмены дополнительно усиливают сходство модулей и увеличивают вероятность новых обменов между теми же участниками.
Таким образом, возникает своего рода эволюционный туннель: некоторые соединения появляются независимо не обязательно потому, что они лучше остальных, а из-за того, что их проще собрать из доступных генетических материалов.
