Чтобы выяснить это, профессор Чикара Кайто и его команда ученых из Университета Окаяма, Япония, использовали процесс, называемый экспериментальной эволюцией, для определения молекулярных механизмов, которые клетки развивают для получения полезных свойств, и опубликовали свои результаты в PLoS Pathogens. «Мы воодушевлены этим исследованием, потому что никто никогда не изучал эволюцию вирулентности бактерий у животных; предшествующие нам исследования изучали эволюцию клеток», – сказал профессор Кайто.
Ученые решили начать с непатогенной кишечной палочки (или E. coli для краткости) и неоднократно мутировать его и использовать для заражения тутового шелкопряда, насекомого, которое часто используется в качестве модели для инфекционных заболеваний, а затем проверить, не приведет ли оно к смерти шелкопряда.
В ходе этого эксперимента ученые создали E. coli с 500-кратным повышением вирулентности по сравнению с исходным бактериальным штаммом, и обнаружили, что мутации в гене, кодирующем один конкретный белок, «транспортер липополисахаридов (LPS)», были одной из причин повышенной вирулентности.
Этот белок является частью мембраны бактериальной клетки и защищает бактерии от вреда. Поэтому транспортер LPS необходим для E. coli расти.
Мутации, повышающие бактериальную смертность, по-видимому, дали E. устойчивость к кишечной палочке против некоторых антибиотиков, а также к некоторым антибактериальным веществам шелкопряда. Причиной этого, вероятно, является соответствующее увеличение концентрации структур, называемых везикулами внешней мембраны, которые бактерии выделяют для поглощения вредных соединений, чтобы предотвратить их попадание в бактерии и причинение им вреда.
Исследователи также определили характеристики веществ, к которым были устойчивы патогенные штаммы, показав, что они были «гидрофобными» (или водоотталкивающими) и положительно заряженными.
Это соответствует увеличенному количеству везикул внешней мембраны, которые являются гидрофобными и отрицательно заряженными, что позволяет им удерживать эти вещества (потому что, конечно, притягиваются противоположные силы). Ученые также показали, что мутации произошли в частях транспортера LPS, которые находятся непосредственно на внешней стороне бактериальной мембраны. Ученые подозревают, что это связано с тем, что эти области более подвержены влиянию окружающей среды, тем самым подвергаются большему естественному отбору и, следовательно, более подвержены мутациям.
«Мы здесь определили несколько вещей о патогенных бактериях», – объясняет профессор Кайто. «Мы впервые показали, что мутации переносчика LPS могут увеличивать вирулентность, и предоставили доказательства того, как эта вирулентность на самом деле происходит – мутантные бактерии производят больше везикул внешней мембраны.«И это еще не все, команда также выявила определенные структурные изменения в мутировавшем переносчике ЛПС, которые могут объяснить, почему вирулентность у разных бактерий различается – потому что каждый вид может иметь разную структуру.
Когда его спросили о том, как его работа способствует научному пониманию и медицине, профессор Кайто уточняет: «До нашего исследования было не очень ясно, как бактерии на самом деле развивали свойства, которые делали их более вредными, поэтому наше исследование помогает прояснить это. Понимание этого процесса означает возможность создания лекарств или другой терапии, которые могут удерживать бактерии от развития патогенов, особенно если мы найдем больше белков, таких как переносчик LPS, мутации которых могут иметь такой большой эффект."
Конечно, необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, будут ли мутации, наблюдаемые в этом исследовании, также увеличивать вирулентность, когда бактерии заражают животных крупнее шелкопряда, таких как млекопитающие.
Но это исследование определенно является первым шагом к разгадке тайны различия между опасными и безвредными бактериями.