Полезные бактерии кишечника конкурируют с патогенами за энергоресурсы

В кишечнике бактерии порядка Enterobacterales, как комменсальные, так и патогенные, окисляют органические соединения с использованием акцепторов электронов, получаемых от организма-хозяина, в том числе нитратов. В норме нитраты и другие акцепторы присутствуют в кишечнике в небольших количествах, и доля комменсальных Enterobacterales не так велика. Во время воспаления, вызванного, например, Salmonella enterica серовар Typhimurium (S. Typhimurium), уровень доступных нитратов и других акцепторов повышается, что ведет к увеличению доли патогена. Нитраты — критически важный ресурс, который определяет пищевые ниши, заселяемые Enterobacterales.

Патоген S. Typhimurium отличается от комменсальных Escherichia coli присутствием факторов вирулентности (T3SS-1 и T3SS-2). Ученые предполагали, что лишенный этих факторов патоген будет занимать те же пищевые ниши в просвете кишечника, что и E. coli. Однако международная группа исследователей показала, что это не так, и что свою роль играют и другие факторы.

В работе ученые использовали E. coli штамм Nissle 1917 (пробиотик) и S. Typhimurium штамм ATCC14028. Сначала они получили авирулентный мутантный штамм S. Typhimurium invA spiB. Поле этого бактерии подсаживали мышам, которым перед этим давали антибиотик. Фагоциты накапливались в просвете кишечника у грызунов, получивших S. Typhimurium, но не S. Typhimurium invA spiB. Однако при этом пространственное расположение в кишечнике отличалось у S. Typhimurium invA spiB и E. coli.

У авторов появилось предположение, что авирулентный штамм S. Typhimurium и E. coli занимают не только разные пространственные, но и различные пищевые ниши. Для того, чтобы доказать свою гипотезу, они сначала получили штамм E. coli, лишенный способности к нитратному дыханию, и показали, что такие бактерии хуже выживают в кишечнике мыши. Бактерии, лишенные жгутиков или способности к энерготаксису, утрачивали свое преимущество. При этом у авирулентного штамма S. Typhimurium не было преимущества в росте по сравнению с таким же авирулентным штаммом, неспособным к нитратному дыханию.

Таким образом, в кишечнике здоровой мыши только E. coli занимала ниши, предоставляющие доступ к нитратам. Однако, по-видимому, при колите возникают новые ниши, доступные патогену, так как ранее уже было показано, что способность к нитратному дыханию дает преимущество в росте вирулентному штамму S. Typhimurium.

Авторы охарактеризовали пищевые ниши, которые занимает вирулентный S. Typhimurium. Только при заражении вирулетным S. Typhimurium в кишечнике мышей отмечали признаки воспаления и рост концентрации нитрата. Ученые предположили, что E. coli и вирулентные штаммы S. Typhimurium двигаются благодаря хемотаксису к своим нишам, где их рост поддерживает нитратное дыхание. Однако их пищевые ниши различаются, и нишу S. Typhimurium образуют фагоциты, мигрирующие в просвет кишечника. Именно поэтому авирулентный штамм S. Typhimurium теряет доступ к этому ресурсу. Более того, эксперименты показали, что E. coli также может занимать ниши, созданные инфекцией.

Авторы также разобрались, какую нишу занимает E. coli, когда инфекции нет. Оказалось, что они потребляют нитрат, вырабатываемый эпителием кишечника. S. Typhimurium, напротив, не имели к нему доступа, потому что рецепторы хемотаксиса McpB и McpC не давали бактерии приблизиться к слизистой оболочке. Мутации в генах mcpB и mcpC давали авирулентному штамму S. Typhimurium преимущество в росте. Штамм S. Typhimurium invA spiB mcpB mcpC имел такое же расположение в кишечнике, что и E. coli.

E. coli соревнуются с S. Typhimurium за нитрат в кишечнике, лишая патогенную бактерию критически важного ресурса. Таким образом, пищевые ниши кишечника можно дальше разделить в зависимости от биогеографии. Это увеличивает число экологических позиций, а значит, и число видов микробиоты, которые могут сосуществовать в кишечнике. Авторы подчеркивают, что такие пространственные ниши нельзя изучать in vitro.