Оружие ближнего и дальнего действия у бактерий выполняет разные стратегические задачи

Рис. 1. Оружие ближнего и дальнего действия у бактерий. Вверху: общие принципы. Токсин, которым бактерии подавляют конкурентов, может быть контактным (оружие ближнего действия, синий цвет) или диффундирующим (оружие дальнего действия, сиреневый цвет). Бактерии, восприимчивые к токсину («безоружные жертвы»), показаны желтым цветом. На производство токсина тратятся ресурсы, что ведет к замедлению размножения. Внизу: результаты компьютерного моделирования. Графики показывают, что конкурентное преимущество атакующих над жертвами зависит от исходной плотности смешанной культуры и от исходной доли атакующих. Если атакующие не имеют подавляющего численного преимущества, контактный токсин, как правило, действеннее диффундирующего. Справа внизу: моделирование вторжения бактерий, производящих токсин, в популяцию жертв. В плотной биопленке жертв 10% случайных клеток заменяют на производителей токсина. Если токсин контактный, атакующие в итоге побеждают, если диффундирующий — побеждают жертвы. Черным цветом показаны клетки, убитые токсином. Рисунки из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution

Бактерии используют для борьбы с конкурентами разные виды контактного и дистантного оружия. Одна и та же бактерия зачастую обладает оружием как дальнего, так и ближнего действия. Было не совсем понятно, зачем это нужно и не является ли такое разнообразие вооружений избыточным. Компьютерное моделирование и эксперименты с живыми генетически модифицированными бактериями показали, что действенность контактного и дистантного оружия зависит от численности атакующих. Дистантное оружие (токсины, распространяющиеся в среде) хорошо работает только при высокой численности производителей токсина: иначе не удается достичь летальной для врагов концентрации яда в среде. Контактное оружие может уступать дистантному по эффективности при высокой численности атакующих, зато оно действенно и тогда, когда атакующие в меньшинстве. Выгоднее всего иметь и то, и другое: контактное оружие поможет внедриться в плотную популяцию конкурентов, а дистантное — защитит популяцию вооруженных бактерий от вторжения чужаков.

Многие живые существа в ходе эволюции обзавелись специальным оружием для борьбы с конкурентами. Например, самцы многих животных вступают друг с другом в «вооруженные конфликты» за доступ к самкам (см. D. J. Emlen, 2008. The Evolution of Animal Weapons).

Однако по количеству и разнообразию такого оружия, а тем более по его смертоносности и интенсивности использования, животным очень далеко до бактерий. Бактерии уничтожают конкурентов постоянно и безжалостно, без всякого рыцарства. Бактериальные средства борьбы с конкурентами можно подразделить на дистантные и контактные. К дистантным относятся выделяемые в окружающую среду антибиотики небелковой природы, токсичные антимикробные белки и более сложные молекулярные машины, такие как тейлоцины (tailocins) — белковые комплексы, производные от хвостов бактериофагов, которые сверлят дыры в оболочке бактерий-конкурентов (K. Nakayama et al., 2002. The R-type pyocin of Pseudomonas aeruginosa is related to P2 phage, and the F-type is related to lambda phage). Среди бактериального оружия ближнего действия — секреторные системы шестого типа (T6SS) — своеобразные шприцы, тоже сделанные из вирусных белков, которые впрыскивают токсины в чужие клетки (подробнее о T6SS см. в новости Холерные вибрионы убивают сородичей, чтобы присвоить их гены, «Элементы», 07.01.2015), и другие системы «контактно-зависимого подавления» (contact-dependent inhibition, CDI). Само собой разумеется, что бактерии, обладающие тем или иным оружием, обладают и устойчивостью к нему. Ведь иначе, даже если вы сами себя не отравите, то ваши дочки, на которых вы поделитесь, поубивают друг друга.

Многие бактерии оснащены одновременно и контактным, и дистантным оружием. С одной стороны, это вроде бы понятно: на войне как на войне. Лучше на всякий случай иметь арсенал поразнообразнее, тем более что враги могут выработать устойчивость к любому оружию (но вряд ли ко всем сразу). С другой стороны, вооружения заратны. На производство всех этих токсинов, молекулярных шприцев и фаговых хвостов тратятся ресурсы, которые можно было бы пустить на рост и размножение. Поэтому в отсутствие серьезных конкурентов безоружные бактерии, как правило, растут быстрее вооруженных. И если вы хорошо умеете делать, например, контактное оружие, то почему бы не ограничиться несколькими его вариантами? Зачем обзаводиться еще и дистантным?

Чтобы разобраться в этом, биологи из Оксфордского университета использовали два подхода: компьютерное моделирование и эксперименты с живыми генно-модифицированными бактериями. Компьютерные модели удобны тем, что в них можно выровнять параметры, которые у реальных бактерий выровнять трудно: например, токсичность токсинов и затраты на их производство. Принципы, заложенные в использованную авторами реалистичную, индивидуум-ориентированную модель (то есть такую, в которой каждая бактерия моделируется как самостоятельный объект, и в которой правдоподобно воспроизводятся многие важные нюансы бактериальной жизни), отражены на рис. 1. Модельные бактерии производят либо контактный, либо дистантный токсин. Чтобы подействовал первый, нужен физический контакт с чужаком и достаточное количество токсина на поверхности клетки. Чтобы подействовал второй, концентрация яда в среде должна достичь определенного порога. За увеличение производства токсина бактерии платят замедлением роста.

Модельных бактерий, вооруженных контактным или дистантным оружием, смешивали с безоружными конкурентами в разных пропорциях и при разной общей плотности смешанной популяции, после чего смотрели, как изменится численное соотношение двух штаммов спустя несколько десятков поколений.

Основные результаты отражены на рис. 1. Оба вида оружия приносят больше пользы атакующим при высокой плотности популяции. В случае контактного оружия это связано с большей частотой межклеточных контактов, в случае дистантного — с тем, что при высокой плотности бактерий быстрее достигается нужная концентрация токсина в среде. Однако зависимость эффективности оружия от исходного соотношения атакующих и жертв оказалась разной для двух типов оружия. Дистантное оружие хорошо работает только при значительном численном превосходстве атакующих (производителей токсина). Если же атакующие в меньшинстве, их оружие оказывается бесполезным, потому что достаточную концентрацию яда в среде создать не удается. Напротив, контактное оружие хорошо работает при любом численном соотношении атакующих и жертв.

Поэтому в модельных экспериментах только обладатели контактного оружия смогли успешно внедриться в плотную популяцию конкурентов и быстро их вытеснить (внизу справа на рис. 1), тогда как бактерии с дистантным оружием с этой задачей не справились и сами были вытеснены. Достаточной концентрации яда они не смогли создать из-за малочисленности, а растут они медленнее безоружных жертв, потому что тратят ресурсы на производство токсина.

Хорошие компьютерные модели помогают понять общие принципы устройства живых систем, но то, что мы получаем на выходе — это лишь гипотезы, нуждающиеся в проверке на реальных живых объектах. В данном случае в качестве живого объекта выбрали бактерию Pseudomonas aeruginosa (синегнойную палочку). У этой бактерии большой арсенал дистантного и контактного оружия для борьбы с конкурентами. Эксперименты проводились с одним дистантным оружием (тейлоцином) и одним контактным (CDI). В роли «атакующих» выступали бактерии дикого типа. В роли «безоружных жертв» — такие же бактерии, но с удаленными генами, отвечающими либо за выбранное контактное оружие и защиту от него, либо за дистантное оружие и соответствующие средства защиты.

Атакующих смешивали с жертвами в разных пропорциях, полученную смесь разводили до разных концентраций (чтобы оценить влияние исходной плотности популяции), высевали на плотную питательную среду, ждали 48 часов, а потом подсчитывали соотношение атакующих и жертв в выросшей колонии. Конкурентное преимущество атакующих оценивалось по тому, насколько изменилось это соотношение по сравнению с исходным (так же, как и в модели). Края и середину колонии анализировали по отдельности, потому что там разные условия: на краях клеткам легче расти и делиться, а в центре могут быть выше концентрации выделяемых веществ. Результаты показаны на рис. 2.

Рис. 2. Результаты экспериментов с живыми бактериями. Вверху: колонии смешанных культур атакующих и жертв (при исходном соотношении 1:1) спустя 48 часов после посева. Длина масштабных отрезков — 0,5 мм. Разные штаммы производят разные флуоресцентные белки. Графики внизу показывают (отдельно для центра и края колонии), как конкурентное преимущество атакующих зависит от исходной плотности смешанной популяции (10³, 10⁴, 10⁵ или 10⁶ колониеобразующих единиц на микролитр) и от исходного соотношения атакующих и жертв (1:10, 1:1 или 10:1). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution

Получилось примерно то же самое, что и в компьютерной модели. Оба вида оружия, дистантное и контактное, могут давать своим обладателям большое преимущество. Однако величина этого преимущества по-разному зависит от исходного соотношения атакующих и жертв. Контактное оружие эффективно при любом соотношении. Дистантное оружие, как правило, дает серьезный эффект, только если атакующие в большинстве. Зато в этом случае дистантное оружие нередко оказывается эффективнее контактного.

В дополнительных экспериментах вооруженных псевдомонад заставили бороться не с безоружными конкурентами, а друг с другом. Псевдомонады с CDI, чувствительные к тейлоцину, состязались с производителями тейлоцина, чувствительными к CDI. Как и следовало ожидать на основе предыдущих результатов, победили те, кого изначально было больше. При исходном соотношении обладателей CDI и тейлоцина 10:1 (а также при равном соотношении 1:1) победило контактное оружие. При обратном соотношении (1:10) взяло верх дистантное.

Еще один эксперимент был поставлен, чтобы проверить, нет ли у P. aeruginosa каких-то специфических проблем, связанных с одновременным использованием контактного и дистантного оружия. Иначе говоря, не мешают ли они каким-то образом друг другу. Для этого конкурентное преимущество бактерий, обладающих обоими типами оружия, над незащищенными жертвами, сравнивали с конкурентным преимуществом обладателей только CDI (или только тейлоцина) над такими же жертвами. Никаких конфликтов между двумя типами вооружений обнаружить не удалось. При совместном использовании их полезные эффекты просто суммируются. Счастливые обладатели сразу обоих типов оружия уверенно справляются с беззащитными жертвами независимо от того, находятся ли они изначально в большинстве или меньшинстве.

Таким образом, исследование показало, что одновременное присутствие у многих бактерий дистантного и контактного оружия — не блажь и не избыточность, а полезная адаптация. Эти типы вооружений помогают решать разные насущные задачи. Если вы хотите, например, закрепиться на участке, плотно заселенном конкурентами, то дистантное оружие вам не поможет, придется полагаться на контактное. Если же вы, наоборот, сами образовали плотную популяцию и не хотите, чтобы к вам внедрялись чужаки, наилучшим решением, возможно, будет дистантное оружие. Просто залейте всё вокруг ядом, к которому сами устойчивы. При высокой плотности популяции расходы на производство дистантного токсина в расчете на одну клетку могут быть невелики, а летальная для чужаков концентрация все равно будет достигнута.

Авторы намеренно оставили за кадром важный вопрос о регуляции производства вооружений. Логика исследования как будто предполагает, что каждая бактерия синтезирует всё свое оружие с постоянной скоростью, невзирая ни на что. В первом приближении такой подход может сработать — и, как видим, он действительно помог понять общий принцип, объясняющий одновременное присутствие дистантного и контактного оружия у одних и тех же клеток. На самом деле бактерии, конечно, не производят все виды своих вооружений с постоянной скоростью при любых обстоятельствах. Это было бы слишком неумно и расточительно. Темпы производства оружия меняются в зависимости от разнообразных внешних и внутренних стимулов. Например, как отмечают авторы, клетки P. aeruginosa могут нести до трех разных «транспортных систем 6 типа» (T6SS, контактное оружие, см. выше). Производство этих смертоносных шприцев активируется сложными регуляторными системами, и обычно только в ответ на атаку извне. В обсуждаемой статье рассматривалось другое контактное оружие (CDI), которое тоже регулируется какими-то сигналами (пока неизвестно, какими) и является средством не только активной обороны, но и нападения. Производить его потенциально могут все клетки. С тейлоцинами (дистантным оружием, рассматриваемым в статье) все иначе. Сигналом для их производства служат повреждения ДНК. То есть тейлоцины производятся клетками, находящимися в плохой физической форме, возможно, умирающими. Для вывода тейлоцинов — крупных молекулярных комплексов — во внешнюю среду бактерия и вовсе должна совершить самоубийство, разрушив свою оболочку (self-lysis).

Таким образом, CDI — это индивидуальное оружие ближнего действия для бойцов-одиночек, проникших на чужую территорию и пытающихся там закрепиться, но не настроенных на самопожертвование. А тейлоцины — средство коллективной обороны большой сплоченной популяции, требующее жертвенного поведения со стороны части ее членов. Исследование показало, что наличие обоих видов оружия у одних и тех же бактерий, по-видимому, является стратегически выгодным и поддерживается отбором.

Источник: Sean C. Booth, William P. J. Smith, Kevin R. Foster. The evolution of short- and long-range weapons for bacterial competition // Nature Ecology & Evolution. 2023. DOI: 10.1038/s41559-023-02234-2.

См. также:
1) Виды могут конкурировать по принципу «камень–ножницы–бумага», «Элементы», 11.09.2007.
2) Внутригрупповое сотрудничество помогает бактериальным популяциям противостоять конкурентам, «Элементы», 13.09.2012.
3) Холерные вибрионы убивают сородичей, чтобы присвоить их гены, «Элементы», 07.01.2015.

Александр Марков