У микобактерий, образующих биопленки, найдены специфические мутации

В эксперименте по лабораторной эволюции Mycobacterium tuberculosis ученые выявили генетические локусы, связанные с эффективным образованием биопленок. Микобактерия быстро адаптируется к изменившимся условиям среды за счет вновь возникших мутаций, в том числе в регуляторных генах.

Биопленка, образованная Mycobacterium tuberculosis.

Credit: John Kernien |  CC BY 4.0 | Пресс-релиз

Туберкулез известен с древних времен, но до сих пор он остается одной из основных причин смерти и очень трудно поддается лечению. Поэтому исследование сильных сторон и уязвимостей возбудителя Mycobacterium tuberculosis исключительно важно для контроля над заболеванием и разработки новых методов лечения. Ранее было показано, что M. tb адаптируется к неблагоприятным факторам среды, в том числе к высоким дозам антибиотиков, за счет образования биопленок. Ученые из США провели эксперимент по лабораторной эволюции M. tb под давлением отбора, чтобы определить механизмы адаптации. Такой подход, в отличие от классических генно-инженерных опытов, позволяет сохранить ненарушенными изначальные регуляторные сети.

В эксперименте использовались шесть родственных штаммов M. tb из Евро-Американской филогенетической линии L4. Образцы выделили из мокроты больных и культивировали в условиях, подходящих для образования биопленок на поверхности жидкой среды. Для каждого штамма биопленки выращивали в двух флаконах. Через 5–7 недель отбирали один флакон, в котором биопленка лучше разрослась. Из этого флакона брали материал для посева в следующие два и так далее — всего провели от 8 до 20 посевов на штамм в течение двух лет. После каждого посева полученные биопленки фотографировали, а также определяли процент поверхности среды, покрытой пленкой, разрастание пленки на стенки флакона, толщину пленки и ее непрерывность. В контрольном эксперименте все штаммы посеяли в толщу жидкой среды, чтобы исключить адаптации, возникшие не к образованию биопленок, а к лабораторным условиям в целом. Геномы штаммов секвенировали, чтобы определить мутации, закрепившиеся в результате отбора.

В начале эксперимента фенотипы биопленок изменялись, но между вторым и восьмым посевом стабилизировались. Пять из шести штаммов в результате отбора сформировали непрерывные биопленки, разраставшиеся на стенки флаконов. Для всех штаммов сканирующая электронная микроскопия показала наличие внеклеточного матрикса, доля которого увеличивалась от посева к посеву.

Для выявления генетических локусов, потенциально влияющих на образование биопленок, ученые определяли мутации, закрепившиеся в популяции бактерий (достигшие 100% частоты), либо, напротив, исчезнувшие. Этим критериям соответствовали 14 однонуклеотидных замен, две дупликации и две делеции. Функции генов, затронутых мутациями, в основном были связаны с регуляцией работы других генов (regX3, phoP, embR и Rv2488c) и с липидным обменом (Rv2186c, mgtA и fadE22). В существующей базе геномных данных M. tb эти мутации встречались редко либо не встречались вовсе. Возможно, дело в том, что естественный отбор работает против затратного для клеток излишнего разрастания внеклеточного матрикса. Мутации, закрепившиеся или исчезнувшие при отборе на рост биопленок, не перекрывались с мутациями, возникшими при культивировании в толще жидкой среды. Из этого следует, что они связаны именно с адаптацией к росту биопленок. По результатам более детального анализа, в образование биопленок вовлечены сложные регуляторные пути, связывающие многие локусы.

Работа наглядно демонстрирует, что эксперименты с искусственной эволюцией возбудителя туберкулеза возможны и показательны.

«Применительно к медицине результаты нашей работы могут быть использованы для разработки новых антибиотиков, более эффективных против бактерий, растущих в биопленках. Мы надеемся, что терапия, направленная на биопленки, станет дополнением к стандартным методам лечения туберкулеза и будет способствовать более простому и быстрому излечению», — говорит главный автор исследования Кейтлин Пепперелл, ведущий исследователь Висконсинского университета в Мадисоне (США).

Источник

Smith, T.M, Youngblom M.A., et al. Rapid adaptation of a complex trait during experimental evolution of Mycobacterium tuberculosis. // eLife 11:e78454, published online 21 June 2022. DOI: 10.7554/eLife.78454

Пресс-релиз

Добавить в избранное

Вам будет интересно