Бактерии обмениваются информацией, чтобы сохранить стабильность своих сообществ

Биологи из Университета Дьюка (США) предложили простое объяснение, как микробы образуют сообщества, где все его члены выполняют одни и те же функции, независимо от вида отдельных микроорганизмов. Оказалось, микробы через горизонтальный перенос генов постоянно обмениваются инструкциями, что нужно делать в текущей среде. Таким генетическим прессингом сообщества буквально перепрограммируют своих новых участников, благодаря чему могут существовать сколь угодно долго, сообщают ученые в журнале Nature Chemical Biology.

Микробы живут повсеместно на Земле и обычно они собираются в сообщества (микробиомы) — обширные группы микроорганизмов, которые живут в общей среде, выполняют одинаковые функции и имеют схожие свойства. Например, в микробиом человеческого кишечника входят несколько сотен видов бактерий, но все они занимаются одним и тем же делом: перерабатывают пищу и уничтожают вредные бактерии, поступающие с едой. Ученые долго не могли понять, как именно микробиомам удается сохранять такое однообразие функций и свойств, если в сообществе могут быть сотни видов микробов.

Американские биологи обратили внимание на гены, кодирующие ту или иную функцию. Их количество в генофонде микробиома остается на удивление постоянным, даже если один вид микробов в сообществе резко сменился на другой. Ученые предположили, что здесь задействован горизонтальный перенос генов. Это процесс передачи генетической информации между организмами одного поколения, а не от родителей к потомству, как обычно происходит. Таким способом бактерии получают новые функции (например, умение противостоять новому антибиотику), которых нет в их врожденном генетическом коде. Образно говоря, микроорганизмы обучают друг друга новым навыкам.

Ученые успешно проверили свою гипотезу с помощью компьютерного моделирования, после чего провели эксперимент на реальных микробах. В их сообществах было до 72 различных видов бактерий, которые постоянно меняли свой генетический состав — до 13 генов одновременно. Наблюдения показали, что уровень стабильности тех или иных генов прямо пропорционален частоте обмена этими генами. Самые стабильные гены, которые как раз отвечали за основные функции в том или ином микробиоме, буквально наводняли собой среду проживания бактерий. Пакеты этой генетической информации постоянно циркулировали между микробами, не оставляя им шанса «научиться» каким-то другим функциям.

Новое исследование интересно не только объяснением того, как сообщества бактерий сохраняют стабильность. Используя горизонтальный перенос генов, можно искусственно создавать программируемые микробиомы, которые будут выполнять полезные функции. Например, очищать водоёмы от грязи и токсичных веществ или превращать отходы в биотопливо. По словам Линчонга Ю, профессора биомедицинской инженерии и одного из соавторов работы, их подход позволяет не беспокоиться о видовом составе конструируемых микробиомов — бактерии сами «заставят» своих соседей делать нужную работу.