Микрогравитация направляет эволюцию бактерий и фагов по другому пути

Бактериофаги оказывают значительное влияние на бактериальное разнообразие и эволюцию, формируя микробиомы человека и окружающей среды. Но взаимосвязь фагов и бактерий определяется не только их свойствами, но и окружающей средой. Большой интерес представляют собой условия микрогравитации, которые пока изучены недостаточно. Ученые из США исследовали взаимосвязь между бактериофагом T7 и неподвижным штаммом Escherichia coli BL21 на борту МКС.

Бактерии и фаги совместно инкубировали в течение нескольких часов (кратковременно) или 23 дней (долговременно). Также использовали библиотеку фагов с 1660 вариантами с аминокислотными заменами в рецепторсвязывающем белке (RBP). Именно RBP отвечает за распознавание бактерии-хозяина, а его способность к быстрой эволюции — основа приспособляемости фага.

В наземных условиях при перемешивании и температуре 37 °C фаг Т7 инфицирует и лизирует E. coli BL21 в течение 20–30 минут, продуцируя 100–200 фагов-потомков. В условиях микрогравитации жидкости хуже смешиваются, что может помешать фагу «встретить» бактерию. Также стресс может нарушить гомеостаз, изменить экспрессию рецептора или внутриклеточные процессы. Чтобы проверить эти предположения, исследователи измерили титры фагов и бактерий после инкубации на Земле и на МКС.

При нормальной гравитации титры фагов значительно повышались, а бактерий — снижались спустя четыре часа, то есть в этом эксперименте заражение происходило позже, между двумя и четырьмя часами инкубации. В условиях микрогравитации кратковременная инкубация не приводила к повышению титров фагов, однако фагов становилось значительно больше спустя 23 дня. То есть фаги заражают бактерии, но на это требуется больше времени. Количество бактерий снижалось и без фагов, вероятно, клетки повредила заморозка и оттаивание.

Далее авторы работы секвенировали геномы фагов и бактерий до и после инкубации, чтобы идентифицировать мутации, появляющиеся через 23 дня в различных условиях. У фагов в условиях микрогравитации больше несинонимичных de novo мутаций было в белках gp7.3 и gp11. Хотя gp7.3 не охарактеризован полностью, считается, что он необходим для заражения бактерий в нормальных условиях. У этого небольшого белка было выявлено семь значимых замен, появившихся на борту МКС, тогда как на Земле была выявлена только одна значимая делеция.

gp11 — белок-адаптер, который находится в хвосте фага. Одна из значимых замен, R2C, дважды независимо возникала в условиях микрогравитации. Вероятно, замены в gp11 могут влиять на жизнеспособность фага, изменяя структуру или стабильность этого белка, а не посредством прямого взаимодействия с бактерией.

Мутации de novo в E. coli BL21 значительно чаще встречались в образцах, смешанных с фагами, чем в образцах без фагов, как в условиях Земли, так и в условиях микрогравитации, что указывает на сильное селективное давление, оказываемое фагами. Несинонимичные замены и сдвиги рамки считывания встречались при любых условиях, обычно в генах, отвечающих за функционирование мембраны и регуляцию метаболических процессов.

В условиях микрогравитации чаще встречались мутации, связанные с внешней мембраной и реакцией клетки на стресс. Например, это был ген hldE, связанный с синтезом липополисахаридного ядра, ген mrcB, играющий роль в синтезе клеточной стенки и ее проницаемости, и ген bipA, связанный с биосинтезом липополисахарида и температурной чувствительностью. При нормальной гравитации появлялись совсем другие мутации.

Комбинаторная библиотека вариантов RBP, обогащенная в условиях микрогравитации, была значительно активнее против наземных уропатогенных штаммов E. coli, в то время как аналогичная библиотека, полученная в наземных условиях, не показала улучшения активности.

Таким образом, репликация фагов в условиях микрогравитации происходит значительно медленнее, но все-таки они способны заражать бактерии. Стабильность фагов также, по-видимому, сильнее снижается в условиях микрогравитации, чем на Земле, хотя этот результат нуждается в подтверждении. Мутации de novo, обнаруженные в бактериях, преимущественно затрагивали гены, участвующие в формировании внешней мембраны, реакции на стресс и управлении питательными веществами. Результаты анализа библиотеки домена RBP выявили значительно отличающиеся закономерности отбора в условиях микрогравитации по сравнению с инкубацией в земных условиях.

Среду на МКС можно улучшить, сделав ее «грязнее»