Учёные выявили роль случая в возникновении бактерий, устойчивых к антибиотикам
Исследователи из лаборатории Константина Северинова Сколтеха описали роль случайности в процессе приобретения и поддержании клетками бактерий небольших молекул ДНК, называемых плазмидами. Находящиеся на плазмидах гены делают бактерии устойчивыми к антибиотикам, и для борьбы с этим опасным явлением необходимо учитывать выявленные в исследовании закономерности.
Плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК. Попав в бактериальную клетку, они используют её ресурсы для того, чтобы воспроизводить самих себя и передаваться в дочерние клетки. Клетки способны бороться с плазмидами с помощью защитных систем CRISPR-Cas.
Название CRISPR-Cas отражает два ключевых компонента системы. CRISPR — своего рода база образцов чужеродной ДНК, с которой ранее сталкивалась бактерия. Они используются для распознавания повторно вторгающихся в клетку вирусов-бактериофагов или плазмид. Затем такую чужеродную ДНК уничтожают белки Cas.
Прежде считалось: будучи узнанными системой CRISPR-Cas, плазмиды либо очень быстро уничтожаются, либо изменяют (мутируют) свою ДНК, так что она становится незаметной для CRISPR-Cas. То есть выдерживать прямую конфронтацию с CRISPR-Cas плазмиды не могут.
«Мы доказали, что это не всегда так, — рассказывает первый автор исследования, аспирант Сколтеха Виктор Мамонтов. — Дело в том, что CRISPR-Cas может устранять конечное число молекул плазмиды в единицу времени. Поскольку плазмидная ДНК постоянно копируется, для каждой пары „плазмида — нацеленная на неё система CRISPR-Cas“ существует такая точка, в которой скорости этих двух разнонаправленных процессов уравновешивают друг друга. Если такое равновесие установится, то плазмида может закрепиться в клетках и без накопления дополнительных мутаций».
Математическое моделирование показало, что небольшой процент клеток, захвативших плазмиду, самопроизвольно приходит в положение равновесия с CRISPR-Cas по воле случая.
Предложенная авторами модель включает в себя особенности распространения плазмид как в отдельной клетке, так и в клеточной популяции и позволит разрабатывать методы удаления плазмид устойчивости к антибиотикам из клеток патогенных бактерий. Учёные в разных странах стремятся приспособить для этой цели системы CRISPR-Cas: по задумке они смогут лишать особо опасные резистентные бактерии плазмид с генами устойчивости к антибиотикам. Без понимания тонкостей взаимодействия CRISPR-Cas и плазмид создать такие инструменты не получится.
Работа опубликована в PNAS.
Фото: сайт Сколтеха, источник: Виктор Мамонтов и др./PNAS