Российские ученые оценили роль случайности в процессе приобретения и поддержании клетками бактерий небольших молекул ДНК, называемых плазмидами. Гены плазмид делают бактерии устойчивыми к антибиотикам, поэтому для борьбы с этим явлением необходимо учитывать обнаруженные в исследовании закономерности. Статья опубликована в журнале PNAS.
Плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК. Внутри бактериальной клетки они воспроизводят сами себя и передаются дочерним клеткам. Клетки могут бороться с плазмидами с помощью защитных систем CRISPR/Cas. Они состоят из CRISPR — повторяющихся последовательностей чужеродной ДНК, с которой сталкивалась бактерия. CRISPR используются для распознавания ДНК вирусов или плазмид, которые впоследствии уничтожаются белками Cas.
Ранее считалось, что при узнавании системой CRISPR/Cas плазмиды либо очень быстро уничтожаются, либо изменяют свою ДНК, чтобы остаться незаметными. Теперь ученые из Сколтеха показали, что это не всегда так. CRISPR/Cas может устранять конечное число молекул плазмиды в единицу времени. Так как плазмидная ДНК постоянно копируется, для каждой плазмиды и нацеленной на нее системы CRISPR/Cas существует точка, в которой скорости двух разнонаправленных процессов уравновешивают друг друга. Если такое равновесие установится, то плазмида может закрепиться в клетках. Математическое моделирование показало, что небольшой процент клеток, захвативших плазмиду, самопроизвольно приходит в положение равновесия с CRISPR/Cas.
«Хотя при попадании одиночной плазмиды в клетку у нее крайне мало шансов уклониться от защиты CRISPR/Cas, если ей “повезет”, она может успеть размножиться до того, как Cas-белки ее уничтожат. Это не только создает возможность устойчивого существования плазмид в клетках с противодействующей им системой CRISPR/Cas, но и дает дополнительные возможности для возникновения случайных защитных мутаций в плазмидной ДНК, которые полностью выведут ее из-под действия CRISPR/Cas», — объясняет первый автор исследования Виктор Мамонов.
Затем ученые перешли к исследованиям на уровне клеточной популяции. Они полагали, что в колонии, выросшей на питательной среде с антибиотиком, все клетки будут содержать плазмиды с генами устойчивости к антибиотику, несмотря на противодействие системы CRISPR/Cas. Однако оказалось, что это не так: большинство клеток вообще не имели плазмид и существовали за счет тех немногих клеток, которые достигли устойчивого равновесия между плазмидами и CRISPR/Cas. Вероятно, устойчивые к антибиотику клетки помогали остальным, создавая вокруг себя безопасное пространство.
Способность плазмид случайно обходить защитное действие CRISPR/Cas делает бактериальную популяцию более стабильной, повышая ее разнообразие. Предложенная авторами модель включает в себя особенности распространения плазмид в отдельной клетке и клеточной популяции. Она позволит разрабатывать методы удаления плазмид из клеток патогенных бактерий. Ученые в разных странах сегодня стремятся приспособить для этой цели системы CRISPR/Cas, которые смогут лишать опасные резистентные бактерии плазмид с генами устойчивости к антибиотикам, и это исследование может стать важным шагом.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
