Бактерии могут убивать и поедать своих соседей, когда другой пищи нет

Ученые обнаружили, что некоторые бактерии при нехватке пищи превращаются в микроскопических каннибалов: они убивают соседние клетки и поглощают их питательные вещества, используя специальное оружие — систему секреции типа VI (T6SS). Это открытие меняет представления о выживании микробов в экстремальных условиях и может помочь в создании более эффективных пробиотиков, совершенствовании климатических моделей и разработке новых методов борьбы с заболеваниями. Исследование опубликовано в журнале Science.

Бактериальный «гарпун» — система T6SS (Type VI Secretion System) — представляет собой сокращающуюся белковую иглу, впрыскивающую токсины в цель, что приводит к ее гибели. Долгое время считалось, что эта система используется лишь для конкурентной борьбы, позволяя клеткам очищать пространство от соперников. Однако недавно американские и швейцарские ученые обнаружили, что бактерии активируют T6SS не просто для убийства, а чтобы добывать пищу в условиях, в которых не могут расти самостоятельно. «Мы знаем, что бактерии убивают друг друга, это общеизвестно. Но мы увидели, что важно не только то, что у бактерий есть оружие для убийства, но и то, что они контролируют использование этого оружия в ситуациях, когда им нужно съесть других, ведь без этого вырасти не получается», — объясняет Глен Д’Суза из Университета штата Аризона.

В новом исследовании авторы провели серию экспериментов с морскими и кишечными бактериями. Они использовали покадровую съемку, что позволило в реальном времени наблюдать взаимодействия клеток при искусственно созданном дефиците питательных веществ. Для отслеживания перемещений органики из погибших клеток ученые применяли флуоресцентные химические метки. Ключевым этапом стало отключение гена T6SS у части бактерий. «Обезоруженные» и нормальные, сохранившие T6SS бактерии отдельно друг от друга исследователи помещали в одинаковую среду, бедную питательными веществами, но с потенциальными жертвами, чтобы сравнить выживаемость двух штаммов. Дополнительно авторы проанализировали геномы бактерий из различных морских экосистем для оценки распространенности T6SS в природе.

В результате в условиях голода бактерии с активной системой T6SS целенаправленно атаковали соседей. После прокалывания клетки жертв утрачивали целостность, раздувались в сферы и начинали «протекать», а атакующие клетки медленно поглощали высвобождающиеся питательные вещества. Генетически модифицированные бактерии без T6SS в аналогичных условиях не росли, тогда как их «вооруженные» собратья активно размножались — их выживание напрямую зависело от убийств. Анализ геномов подтвердил, что T6SS широко распространена у бактерий Мирового океана. «Наблюдая за клетками, понимаешь, насколько они изобретательны. Медленно извлекая питательные вещества из соседей, они максимизируют их сбор, когда каждая молекула на счету — это новое, не оцененное ранее звено в микробной пищевой цепи», — отмечает Астрид Стаббуш из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Открытие меняет наши представления о микробных экосистемах — от кишечника человека до океанов. Понимание T6SS позволит создавать «умные» пробиотики, способные целенаправленно уничтожать патогены, и новые антибиотики: бактериальный «гарпун» можно использовать для доставки лекарств внутрь устойчивых к препаратам клеток. Полученные данные также важны для океанологии, так как убийства бактериями редуцентов (деструкторов сложной органики) влияют на углеродный цикл планеты — от этого зависит, сколько углерода останется в воде или попадет в атмосферу. Теперь ясно: когда ресурсы истощаются, бактерии не просто конкурируют — они начинают убивать.