14/02/2025

Střevní bakterie krotí své konkurenty tím, že zneškodní jejich zbraně

MedicínaNové
bacteria, salmonella, pathogensFoto: Ilustrační_WikiImages/Pixabay

Bakterie se v lidském střevě vyvíjejí vzájemným sdílením genetických prvků. Bacteriodales je řád střevních bakterií, které mají stovky genetických prvků, se kterými úspěšně obchodují.

Nový výzkum Chicagské univerzity ukazuje, že všudypřítomný mobilní genetický prvek mění antagonistické zbraně Bacteroides fragilis, běžných bakterií lidského střeva. Získání tohoto prvku vyřazuje účinnou zbraň B. fragilis, ale vyzbrojuje ji novou zbraní, před kterou je kmen, který DNA daroval, chráněný. Tyto zbraně pomáhají bakterii vyřezávat si výklenky v těsných zákoutích střeva.

Doktorka Laurie Comstocková, profesorka mikrobiologie a hlavní autorka nové studie, studuje různé antagonistické mechanismy Bacteroidales a způsob, jakým přenášejí DNA, již více než 10 let.

„Tyto organismy se rychle vyvíjejí pomocí přenosu DNA. Je to docela úžasné,“ řekla. „Věděli jsme, že některé kmeny B. fragilis nemohou střílet ze svých zbraní, ale když jsme viděli, že je to způsobeno získáním velkého mobilního genetického prvku, v tu chvíli jsme věděli, že jsme našli něco zajímavého.“

Pružinové kopí s jedovatým hrotem

Mnohé druhy rodu Bacteroidales mohou zabíjet sousední bakterie produkcí toxinů. Některé z těchto toxinů se jednoduše šíří z bakteriální buňky do okolního prostředí a zabíjejí okolní citlivé kmeny. Další zbraní je vylučovací systém typu VI (T6SS), což je nanostroj obsahující špičatou, pružinovou trubičku naplněnou toxiny. Když vystřelí, vstříkne toxiny přímo do sousedních buněk jako oštěp s jedovatou špičkou.

T6SS u Bacteroidales se vyskytuje ve třech různých typech, neboli genetických architekturách. Jedna z nich, genetická architektura 3 (GA3), je určená výhradně pro B. fragilis a je velmi účinná při zabíjení jiných druhů Bacteroidales. Další dva typy, GA1 a GA2, jsou kódované geny obsažené na velkých mobilních genetických elementech nazývaných integrační a konjugační elementy (ICE). Tyto GA1 a GA2 ICE se rychle přenášejí mezi druhy Bacteroidales v lidském střevě po celém světě. Vědci však zatím nepozorovali u T6SS GA1 a GA2 stejnou smrtící účinnost jako u T6SS GA3.

Vědecký tým začal studovat přirozené izoláty B. fragilis, které měly GA3 T6SS, nebo měly GA3 i GA1 ICE. Ti s oběma ICE už nestříleli ze zbraně GA3 a už tedy nemohli zabíjet další druhy Bacteriodales.

Aby se ukázalo, že to bylo způsobeno přidáním GA1 ICE k těmto kmenům, přenesli GA1 ICE do kmenů B. fragilis pouze s GA3 T6SS a ukázali, že výsledné nové kmeny, neboli „transkonjuganty“, nebyly schopné antagonizovat jiné kmeny s jejich GA3 T6SS. 

Výzkumníci poté vymazali části GA1 ICE, aby viděli, která oblast 116kB ICE vypíná zbraň GA3. Zjistili, že část oblasti GA1 T6SS kódující membránový komplex nanostroje GA1 bránila odpálení GA3 T6SS.

Tým chtěl dále vidět, jak budou kmeny soutěžit ve střevě savců. Orálně inokulovali gnotobiotické (bezmikrobní) myši stejným počtem izogenních B. fragilis divokého typu (pouze GA3 T6SS) a GA3/GA1 ICE transkonjugantem. Transkonjugant u myší rychle překonal kmen divokého typu. Vědci dále ukázali, že tato soutěž byla způsobena antagonismem pomocí GA1 T6SS, první demonstrace silného antagonismu GA1 T6SS. 

„Nevěděli jsme, zda kmen obsahující GA1 bude antagonistický, takže jsme si mysleli, že progenitorový kmen GA3 tuto bitvu ve střevech vyhraje,“ řekl Comstock. „Ale to se nestalo.“

Střídat strany a jít do obrany

Ale nejneočekávanějším zjištěním z tohoto experimentu bylo to, že v myším střevě se GA3 T6SS vůbec nevyráběl. Později ukázali, že gen nesený na GA1 ICE kóduje transkripční represor, který vypíná transkripci celého GA3 T6SS, což umožňuje ještě lepší produkci GA1 T6SS.

Celkový efekt přenosu tohoto elementu DNA má důsledky pro komunitu střevních mikrobů. Kmeny Bacteroidales obsahující GA1 ICE jsou usmrceny B. fragilis GA3 T6SS, ale pokud jeden z těchto kmenů může přenést svůj GA1 ICE do útočícího kmene B. fragilis, vytvoří kmen, který překonává progenitorový kmen B. fragilis. Tento nový kmen se již nezaměřuje na dárcovský kmen a může také použít GA1 T6SS ke společné obraně ekosystému před invazí jiných kmenů Bacteroidales.    

Studie také ukázala, že ve střevě myší došlo k přenosu ICE GA1 velmi rychle, což pomohlo transkonjugantu stát se velkou složkou populace. To naznačuje, že vědci vytvářející syntetická konsorcia bakterií pro terapeutika musí počítat s účinky genetického přenosu.

„Vzhledem k tomu, že bakterie jsou vybírané pro zahrnutí do konsorcií jako bioterapeutika, je důležité chránit se před zavlečením čehokoli, co by mohlo být přeneseno do nebo z těchto kmenů, co by mohlo mít škodlivé účinky,“ řekla doktorka Comstocková.

Zdroj: EurekAlert, Science