Бактерии, живущие на других бактериях, изучены на молекулярном уровне

Среди представителей группы Patescibacteria, также известной как candidate phyla radiation (CPR), лишь немногие были культивированы в лабораторных условиях. Большинство культивированных представителей относится к группе Saccharibacteria. Patescibacteria имеют относительно небольшие геномы и клетки, а также ограничены в метаболическом плане, например, обычно они не имеют дыхательной цепи и путей синтеза аминокислот, нуклеотидов и жирных кислот. Они ведут облигатно эпибиотический образ жизни, прикрепляясь к поверхности клеток бактерий-хозяев и пролиферируя на ней. Например, в роли бактерий-хозяев Saccharibacteria выступают актинобактерии.

Из-за отсутствия подходящих генетических инструментов изучение необычного образа жизни Patescibacteria было невозможным. Последовательности их ДНК секвенируются в составе метагеномов микробных сообществ, но этот генетический материал остается «микробной темной материей», поскольку мало что известно о его функциях. Исследователи из университета Вашингтона и Института системной биологии в Сиэтле смогли детально изучить клетки Saccharibacteria на молекулярном уровне.

Ученые выделили из слюны и зубного налета добровольцев два штамма Saccharibacteria с различной специфичностью в отношении хозяев. Новые штаммы получили названия Candidatus Nanosynbacter lyticus ML1 (Nl) и Ca. Southlakia epibionticum ML1 (Se). В геномах этих штаммов были идентифицированы гены, свойственные другим Patescibacteria, в частности, кодирующие компоненты специализированной системы секреции, поверхностных придатков, позволяющих удерживаться на хозяйской клетке, а также отвечающие за компетентность.

Естественная компетентность представителей CPR, то есть способность поглощать ДНК из внешней среды и использовать заключенную в ней генетическую информацию, достигается благодаря наличию у них специальной системы для захвата ДНК извне. Авторы обнаружили, что это свойство можно использовать для генетических манипуляций с Saccharibacteria. Они способны поглощать ДНК-конструкции, содержащие ген устойчивости и, например, ген флуоресцентного репортерного белка.В качестве антибиотика, позволяющего отбирать трансформированные клетки, лучше всех показал себя гигромицин: он подавляет рост нетрансформированных эпибиотических бактерий, не влияя на рост хозяев (Actinomyces israelii F0345).

Экспрессируя в клетках Se флуоресцентные белки, ученые визуализировали жизненный цикл эпибиотических бактерий, наблюдали их рост, почкование материнских клеток с образованием дочерних, подвижность. Оказалось, что клетки Se, прикрепляясь к хозяину, могут стать продуктивными (активно почковаться, производя многочисленное потомство, часть которого отправляется на поиски новых хозяев) или непродуктивными. При этом клетка хозяина, на которой находятся множество непродуктивных клеток Se , активно растет и пролиферирует, а та, на которой находится продуктивная материнская клетка, не только не растет, но уменьшается в размерах.

Авторы исследовали геном Se с помощью секвенирования вставок транспозонов (transposon-insertion sequencing, Tn-seq; инсерционный мутагенез, вызванный транспозонами, позволяет отличить необходимые гены от тех, нарушение функции которых не приводит к гибели клетки). Жизненно необходимыми оказались 295 генов Se. Их функции были не такими, как у эссенциальных генов свободноживущих бактерий. В число необходимых не попали даже гены компонентов АТФ-синтазы; зато среди них были специфические для Patescibacteria гены, обеспечивающие их уникальный образ жизни.

Поскольку Se филогенетически далеки от хорошо изученных бактерий, последовательности геномов которых доступны в базах данных, стандартная аннотация генома в данном случае была невозможна. Но все же авторы смогли аннотировать 337 из 855 белков протеома клеток Se. Подтвердилось, что в этих клетках имеются белки, необходимые для прикрепления к поверхности хозяина, специализированная система секреции для захвата ДНК, а также аргининдезаминазный путь (возможно, для генерации АТФ при отсутствии АТФ-синтазы используется именно он).

Таким образом, для поддержания необычного эпибиотического образа жизни Patescibacteria используют множество разноплановых молекулярных механизмов. «Независимо от конкретных используемых методов, генетические манипуляции с Patescibacteria откроют двери для фенотипических исследований богатых запасов микробной темной материи, содержащейся в этих организмах», — пишут авторы в заключение. Информация о биохимии этого таксона может найти биотехнологическое применение, и она важна для понимания функционирования бактериальных экосистем.

Бактерии уничтожают другие бактерии, активируя их профаги