Энтеробактерии выжили после ста дней голодания

Бактерии используют различные механизмы выживания в случае катастрофических изменений окружающей среды. Эти механизмы довольно хорошо изучены, однако данных об их использовании отдельными видами в сообществе, переживающем неблагоприятные условия, практически нет. Бактериальное сообщество полости рта человека подвержено циклическим изменениям, связанным с режимом питания и гигиеническими привычками хозяина. Системы лабораторного культивирования орального микробиома без ущерба его видовому разнообразию хорошо отлажены, поэтому исследователи из США выбрали именно бактериальное сообщество полости рта в качестве модели для эксперимента с длительным голоданием.

Cтартовое бактериальное сообщество было получено из объединенного образца слюны от шести здоровых взрослых. Голодание моделировали переносом бактерий из богатой питательной среды в фосфатный буфер. В течение ста дней регулярно отбирали пробы для отслеживания изменений таксономической структуры микробиома: пробу высевали на богатую плотную среду, а также выполняли анализ метагенома и метатранскриптома сообщества.

Посев на богатую среду до начала голодания выявил широкий спектр видов бактерий, включавший несколько видов Streptococcus, Gemella sanguinis и представителей семейства Enterobacteriaceae (энтеробактерии). Однако на восемьдесят четвертый и сотый день эксперимента высевались только энтеробактерии, а именно Klebsiella pneumoniae и Providensia alcalifaciens.

Так как бактерии в неблагоприятных условиях могут переходить в жизнеспособное некультивируемое состояние, метод посева не всегда дает полную информацию о структуре сообщества. Чтобы точнее оценить обилие и жизнеспособность отдельных видов, ученые проанализировали метагеном и метатранскриптом бактериального сообщества. Результаты секвенирования ампликонов региона V3–V4 16S рДНК и кДНК соответствовали результатам посевов: с течением времени соотношение таксонов менялось в пользу энтеробактерий. К концу опыта относительное обилие Klebsiella достигало 90%, а самая высокая активность транскрипции регистрировалась у P. alcalifaciens.

В поисках механизмов, помогающих K. pneumoniae и P. alcalifaciensпереживать остальные виды при длительном голодании сообщества, ученые провели полногеномное секвенирование этих бактерий и обнаружили шесть несинонимичных однонуклеотидных замен. В их числе обнаружились замены, описанные ранее как мутации, дающие преимущества (growth advantages in stationary phase, GASP), — такие замены расширяют метаболические возможности бактерий. Кроме того, биохимический анализ культуральной жидкости и клеточной биомассы голодающего сообщества выявил циклические депсипептиды — особый класс малых молекул, проявляющих бактерицидные свойства. Так как эти вещества были ассоциированы с энтеробактериями, можно предположить, что K. pneumonia и P. alcalifaciens выделяют их в среду, уничтожая другие виды.

Бактерия K. pneumonia является патогеном-оппортунистом и может стать причиной различных заболеваний, от пневмонии до диареи. Кроме того, она передает гены устойчивости к антибиотикам другим патогенным видам. K.pneumonia попадает в окружающую среду с человеческой слюной. Необходимо по-новому оценить опасность вспышек инфекций, ассоциированных с ней, с учетом ее способности выживать в течение долгого времени в неблагоприятных условиях. Авторы исследования намерены расширять и углублять изучение механизмов выживания энтеробактерий в составе бактериальных сообществ.