Обмен генами помог бактериям кишечника усвоить новый витамин

Новый тип мобильных элементов позволил кишечным бактериям Bacteroidetes усваивать витамин B12 и другие корриноиды — говорится в исследовании, опубликованном в журнале Cell Reports. Обнаруженные элементы содержат последовательности генов-транспортеров витамина и способны распространяться в сообществе кишечных бактерий мышей.

Бактерии типа Bacteroidetes могут составлять до 80 процентов микроорганизмов в кишечном микробиоме, их работу связывают с метаболизмом, развитием ожирения и воспалением кишечника. Чтобы колонизировать толстую кишку, бактерии проходят отбор по приспособленности — закрепляются, например, те штаммы, которые способны лучше усваивать питательные вещества. Для получения преимущества перед соседями, бактерии нередко пользуются горизонтальным переносом генов — встраивают в свою ДНК полезные гены других микроорганизмов. В этом им могут помогать конъюгативные мобильные элементы — последовательности, которые могут не только перемещаться внутри одного генома, но и путешествовать из организма в организм. Подробнее о горизонтальном переносе мы писали в материале «Поверх барьеров».

Один из питательных ресурсов, за которые конкурируют бактерии кишечника, — витамин B12 и похожие на него вещества — корриноиды. Показано, что эти вещества так или иначе участвуют в метаболизме почти 80 процентов бактерий микробиома, и большинство из них получает вещества извне. Именно поэтому микроорганизмы, содержащие белки-переносчики корриноидов в мембране, получают конкурентное преимущество перед другими штаммами. Предыдущие исследования указывают на то, что гены переносчиков Bacteroidetes получили в ходе горизонтального переноса, однако механизмы этого процесса до сих пор не были понятны.

Исследователи из университета Иллинойса в Эрбана-Шампейн под руководством Кэти Фрай (Katie A. Frye) изучили роль мобильных элементов в горизонтальном переносе генов этих мембранных белков. Для этого они проанализировали 133 генома бактерий типа Bacteroidetes и обнаружили там 19 предполагаемых мобильных элементов, которые содержали транспортеры корриноидов. При помощи марковского алгоритма кластеризации авторы разделили последовательности на три семейства по эволюционному родству. Среди них оказалось два конъюгативных транспозона — свободных кольцевых молекул ДНК, а также ДНК фага — бактериального вируса.

После этого с последовательностями одного из семейств биологи провели эксперименты по конъюгации — перемещению из одной бактерии в другую. В искусственной среде исследователи смешали доноров — бактерий, содержащих мобильные элементы, и реципиентов — микроорганизмов без них. После этого успешных реципиентов посчитали по восприимчивости к B12, так как мобильный элетент содержит транспортер витамина. Поскольку кишечник животных не похож на искусственную жидкую среду, способность элементов передаваться от бактерии к бактерии исследователи также подтвердили в экспериментах с мышами — последовательности успешно передавались новым бактериям.

Горизонтальный перенос генов бывает не только у бактерий, но и у более развитых существ. Так, недавно ученым удалось обнаружить гены растений у насекомых. Табачные белокрылки присвоили себе растительный ген, чтобы защититься от токсинов.

Анна Муравьёва