Как вирусы решают судьбу бактерии

Попавшим вместе в бактериальную клетку бактериофагам приходится решать, вступать ли им друг с другом в непримиримую борьбу или же начать сотрудничать.

Бактериофагами называют вирусы, поражающие бактериальные клетки. В целом план строения у них такой же, как у прочих вирусов – это нуклеиновая кислота (чаще всего – ДНК) с записанными в ней генами вируса, заключенная в белковую оболочку-капсид.

Внешний облик у бактериофагов довольно своеобразен: их частицы состоят из головки, которая выглядит как правильная геометрическая фигура и в которой находится нуклеиновая кислота, и хвоста, с помощью которого фаг впрыскивает свою нуклеиновую кислоту в бактерию. У некоторых фагов на хвосте есть еще нити, похожие на ножки, помогающие им удерживаться на поверхности бактериальной клетки. Со стороны они похожи на какой-то зловещий механизм, и, когда говорят о вирусах, то чаще всего представляют именно фагов, с их хвостами и «ножками».

В зараженной клетке бактериофаги ведут себя так же, как обычные вирусы: их нуклеиновая кислота переключает на себя все ресурсы клетки, заставляя бактерию синтезировать вирусные белки и копировать вирусный генетический материал; белки и ДНК вируса собираются в полноценные вирусные частицы, которые заполняют клетку до отказа, и она в конце концов гибнет. Возможен и другой путь: геном фага встраивается в ДНК бактерии и остаётся в ней на какое-то время, переходя в таком виде из поколения в поколение. Потом, когда фагу это покажется удобным, он активируется и запускает «штамповку» новых копий самого себя.

Разные вирусы обычно специализируются на разных хозяевах, и бактериофаги – не исключение. Но часто случается так, что в одну и ту же клетку проникают два фага одной разновидности. Что происходит в таком случае? Соперничают ли они, стремясь вытеснить один другого, или же сотрудничают? Исследователи из Техасского университета A&M говорят, что бывает и так, и так, в зависимости от условий, в которых приходится жить бактериофагам.

Эксперименты ставили с кишечной палочкой и бактериофагом лямбда. Чтобы можно было следить за двумя разными фагами и их потомками, их метили четырьмя флуоресцентными метками. Две из них принадлежали белкам вирусной оболочки, и, если в клетке появлялись именно белковые метки, это означало, что фаги спешно собирают готовые частицы.

Другие две метки становились видимыми, если у фагов включались гены, отвечающие за сохранение вирусного генома в бактериальной ДНК. Оказалось, что, когда дело доходило до сборки частиц, фаги начинали прямо конкурировать друг с другом – в конце концов в клетке оставался только кто-то один. Напротив, если вирусы решали «поспать» в клеточной ДНК, они начинали сотрудничать, помогая друг другу встроиться в чужой геном.

То есть фагам, оказавшимся вместе в одной клетке, приходилось решать, как жить дальше. Решение во многом зависело от внешних условий: если бактерий вокруг было много, если среда вокруг была благоприятна для роста бактериальной колонии, то вирусы вступали в гонку, стараясь подавить друг друга числом потомков. Преимущество получал тот, кто успел насинтезировать больше ДНК-копий – вирусная ДНК, как мы сказали выше, оттягивает на себя клеточные ресурсы, необходимые для собственного удвоения, поэтому тот, чьей ДНК оказалось больше, лишал ресурсов не только клетку-хозяина, но и конкурента. (Здесь немаловажно, кто когда проникает в клетку – у того, кто сделал это первым, будет определенная фора).

Если же клеток для размножения оказывалось мало, и если сама клетка жила плохо (так, что в ней нельзя было быстро наделать много вирусной ДНК), вирусы вместе укладывались спать. Причем они действительно помогали друг другу, что было видно в экспериментах с мутантными бактериофагами: если в клетку попадали два вируса с плохими мутациями в разных генах, отвечающих за встраивание в чужой геном, то для успешного внедрения они пользовались оставшимися нормальными белками друг друга – иными словами, решали проблему сообща. Будучи вместе, мутантные фаги эффективнее вставляли себя в бактериальный геном, чем если бы они попали в клетку поодиночке.

Такие совместные действия, как пишут авторы работы в Nature Communications, повышают разнообразие вирусного генома: встраиваясь в бактериальную ДНК, их гены перемешиваются, так что в перспективе, когда дело доходит до синтеза вирусных частиц, из таких сотрудничавших в прошлом вирусов могут получиться особи с новым генетическими вариантами. Короче говоря, взаимопомощь в трудные времена увеличивала генетическое разнообразие вирусов, а разнообразие – это всегда хорошо, поскольку повышает шансы на выживание.

В перспективе полученные результаты могут помочь в создании антибактериальных лекарств нового поколения. Как известно, к антибиотикам у микробов быстро появляется устойчивость, и потому сейчас часто говорят о том, чтобы пойти принципиально другим путем – например, начать использовать бактериофаги в качестве противоинфекционного средства, и чем больше мы будем знать о взаимоотношения фагов друг с другом и с бактериями, тем эффективней будут такие препараты.