Исследователи Тель-Авивского университета раскрыли, как инородная ДНК может избегать защитных систем бактерий и нейтрализовать их. Эти результаты могут привести к разработке методов борьбы с антибиотикорезистентностью и генетической манипуляции бактериальными сообществами для различных приложений.
(Слева направо): профессор Дэвид Бурштейн и аспирантка Брурия Самуэль © Тель-Авивский университет
(Сообщено пресс-службой Тель-Авивского университета)
Новое исследование Тель-Авивского университета раскрывает, как можно нейтрализовать защитные механизмы бактерий, что позволяет эффективно передавать генетический материал между бактериями. Исследователи полагают, что это открытие может проложить путь к разработке инструментов для решения проблемы антибиотикорезистентности и содействовать более эффективным методам генетической манипуляции для медицинских, промышленных и экологических целей.
Исследование возглавила аспирантка Брурия Самуэль из лаборатории профессора Дэвида Бурштейна в Шмунисовской школе биомедицины и исследований рака при факультете биологических наук Тель-Авивского университета. В числе других участников исследования — доктор Карин Миттельман, Ширли Кройтору и Майя Бен-Хаим из лаборатории профессора Бурштейна. Результаты были опубликованы в престижном журнале Nature.
Исследователи объясняют, что генетическое разнообразие имеет решающее значение для выживания и адаптации различных видов в ответ на изменения окружающей среды. Для человека и многих других организмов половое размножение является основным механизмом, обеспечивающим генетическое разнообразие, необходимое для выживания. Однако бактерии и другие микроорганизмы не обладают таким механизмом размножения. Тем не менее, как показывает угрожающая скорость распространения антибиотикорезистентности среди бактериальных популяций, у бактерий есть альтернативные механизмы поддержания генетического разнообразия, необходимого для выживания, включая прямую передачу ДНК между бактериями.
Передача ДНК между бактериями играет ключевую роль в их выживании. Однако важный аспект этого процесса оставался недостаточно исследованным: как так получается, что обмен генетическим материалом так широко распространен, несмотря на наличие у бактерий множества защитных механизмов, направленных на уничтожение любого инородного генетического материала, проникающего в их клетки?
Новое исследование сосредоточено на процессе, называемом «конъюгация», который является одним из основных механизмов передачи ДНК от одной бактерии к другой. Во время конъюгации одна бактериальная клетка напрямую соединяется с другой через тонкую трубку, которая позволяет передавать фрагменты генетического материала, называемые плазмидами. Профессор Бурштейн объясняет: «Плазмиды — это маленькие, круглые, двуцепочечные молекулы ДНК, которые классифицируются как ‘мобильные генетические элементы’. Как вирусы, плазмиды перемещаются от одной клетки к другой, но в отличие от вирусов, они не обязаны убивать хозяина-бактериальную клетку для завершения передачи».
В рамках естественного обмена плазмиды часто обеспечивают получающие бактерии генетические преимущества. Например, многие гены антибиотикорезистентности распространяются через передачу плазмид между бактериями. Однако бактерии также обладают многочисленными защитными механизмами, направленными на уничтожение инородной ДНК, проникающей в их клетки. «Конъюгация — это хорошо известный процесс, который ученые также используют в лаборатории для передачи генов между бактериями. Также известно, что бактерии обладают механизмами для уничтожения инородной ДНК, включая плазмидную ДНК, и некоторые из этих механизмов даже используются для различных научных целей. Однако до сих пор никто не исследовал, как плазмиды преодолевают эти защитные механизмы», — говорит профессор Бурштейн.
Самуэль объясняет, что она начала исследование с проведения вычислительного анализа 33 000 плазмид и выявления генов, связанных с системами «анти-защиты», которые помогают плазмидам обходить защитные механизмы бактерий. Что было еще более интересным, так это местоположение этих генов. Как уже упоминалось, плазмиды — это двуцепочечные кольцевые фрагменты ДНК. Для того чтобы пройти через тонкую трубку, соединяющую бактерии, одна из этих кольцевых цепочек разрезается на определенном участке белком, который затем связывается с разрезанной цепочкой и инициирует ее передачу в принимающую клетку. «Гены анти-защитных систем, которые я выявила, оказались сконцентрированы рядом с этим разрезом, и организованы таким образом, что они становятся первыми генами, которые попадают в новую клетку. Эта стратегическая позиция позволяет генам активироваться немедленно после переноса, давая плазмиде преимущество, необходимое для нейтрализации защитных систем принимающих бактерий», — объясняет Самуэль.
Профессор Бурштейн вспоминает, как, когда Самуэль впервые показала ему свои результаты, он не мог поверить, что подобное явление не было выявлено ранее. «Брурия провела обширный обзор литературы и обнаружила, что никто раньше не делал такую связь», — говорит он. Поскольку открытие было сделано путем анализа существующих баз данных с помощью вычислительных инструментов, следующим шагом было продемонстрировать в лаборатории, что это явление действительно происходит во время передачи плазмид между бактериями. Самуэль объясняет: «Для этого мы использовали плазмиды, которые обеспечивают антибиотикорезистентность, и внедрили их в бактерии, оснащенные CRISPR — известной бактериальной защитной системой, которая может нацеливаться на и уничтожать ДНК, включая плазмидную. Этот метод позволил нам легко протестировать условия, при которых плазмид может преодолеть защитную систему — если ему удается преодолеть систему CRISPR, принимающие бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам. Если не удается, бактерии погибают».
С помощью этого метода Самуэль продемонстрировала, что если гены анти-защиты расположены рядом с точкой входа ДНК, плазмида успешно преодолевает систему CRISPR. Однако если эти гены находятся в другом месте на плазмиде, система CRISPR уничтожает плазмиду, и бактерии погибают при воздействии антибиотиков.
Профессор Бурштейн отмечает, что понимание расположения анти-защитных систем на плазмидах может позволить выявить новые анти-защитные гены, что является предметом активных исследований.
Кроме того, наше исследование может способствовать разработке более эффективных плазмид для генетической манипуляции бактериями в промышленных процессах. Хотя плазмиды уже широко используются для этих целей, эффективность плазмидной передачи генов в лабораторных условиях значительно ниже, чем у природных плазмид», — говорит он. «Еще одним возможным применением может быть разработка эффективных плазмид для генетической манипуляции природными бактериальными популяциями. Это может помочь блокировать гены антибиотикорезистентности в больничных бактериальных популяциях, научить бактерии в почве и воде разлагать загрязнители или фиксировать углекислый газ, а также манипулировать кишечными бактериями для улучшения здоровья человека».
Рамот, компания по трансферу технологий Тель-Авивского университета, считает это открытие важным биотехнологическим прорывом с широким спектром применения. Доктор Ронен Крейцман, генеральный директор Рамот, заявляет: «Во-первых, я хочу поздравить профессора Дэвида Бурштейна и его команду лаборатории с этим увлекательным научным открытием. Новое исследование открывает революционные возможности в таких областях, как разработка препаратов против устойчивых бактерий, синтетическая биология, агротехнологии и фудтех. Возможность контролировать и настраивать передачу генетического материала между бактериями может стать мощным инструментом для решения экологических, сельскохозяйственных и медицинских проблем. Мы уже работаем над коммерциализацией этой технологии для реализации ее полного потенциала».