Парадоксы эволюции. Как наличие ресурсов и отсутствие внешних угроз приводит к самоуничтожению вида и что мы можем с этим сделать - Алексей Аркадьевич Макарушин

есть сигнальные молекулы, воспринимаемые не только бактериями, но и эукариотами. Механизм действия автоиндукторов вне зависимости от их природы также в целом следует похожей схеме (Mukherjee S. and Bossier B. L., 2019). Так, у светящихся вибрионов при низкой плотности популяции, несмотря на постоянную выработку нескольких автоиндукторов (AI-1, AI-2, CAI-1), их концентрация в окружающей среде остается низкой. Тем самым постоянно активируется фактор транскрипции AphA, «определяющий» индивидуалистическое поведение вибриона и блокируется белок LuxR, «ответственный» за коллективное свечение. При попадании в ограниченное пространство фотофоры концентрация автоиндукторов нарастает, белок LuxR полностью разблокируется и одновременно стимулируется выработка новых порций автоиндукторов. В результате вся популяция вибрионов в фотофоре практически одномоментно переходит в состояние коллективного поведения, что проявляется, в частности, вспышкой люминесценции.

Условно-патогенные палочки сине-зеленого гноя (Pseudomonas aeruginosa) повсеместно встречаются в среде обитания человека, где иногда появляется хоть немного воды. Оказавшись в неповрежденном кишечнике или в здоровых дыхательных путях, они ведут себя вполне тихо и безобидно, но при попадании в открытую рану становятся чудовищными монстрами, возбудителями тяжелых внутрибольничных раневых инфекций, бичом хирургических стационаров. Помимо фантастической устойчивости к антибиотикам, они обладают способностью с помощью QS самоорганизовываться в атаке на и без того уязвимые из-за раневого процесса ткани организма. Чувствительные к автоиндукторам рецепторы находятся у Ps. aeruginosa не на поверхности, а в цитоплазме, но сути дела это не меняет. Накапливаясь до поры до времени в раневом содержимом и никак не проявляя себя, достигнув определенной концентрации, эти бактерии, как слаженная штурмовая группа, скрытно сосредоточившаяся на переднем крае, одномоментно «выстреливают» залпом факторов патогенности (экзоферментов-протеаз), «взламывают» передний край обороны организма – раневую поверхность, проникают в более глубокие ткани, слабо защищенные воспалительной реакцией, и выходят на оперативный простор. Организм просто не успевает выстраивать новые рубежи обороны, что позволяет Ps. aeruginosa распространяться все дальше и дальше, оставляя за собой «выжженное» протеазами пространство. При необходимости, как по команде, палочки сине-зеленого гноя могут все разом переходить к гибкой обороне, образуя плотные биопленки, труднопроницаемые для антибактериальных веществ.

Интересно, что структурную основу активной обороны обеих противодействующих сторон – биопленок Ps. aeruginosa и лейкоцитарных NET структур, формируемых организмом по краям раны, – составляет многократно упомянутая внеклеточная структурная ДНК. Сильнодействующие внутривенные антибиотики пока позволяют, хоть и с трудом, справляться с этой страшной сине-зеленой напастью, но риск появления и сверхбыстрого распространения широкой мультирезистентности к антибиотикам у Ps. aeruginosa чрезвычайно высок. Надежды на фаготерапию также, к сожалению, малы (хотя во многих отдельных случаях она оказывается очень эффективной): псевдомонады располагают одним из самых больших арсеналов CRISPR-зависимых механизмов противофаговой устойчивости. Возможность влиять на межклеточные коммуникации, срывая координацию атак и активной обороны, в подобных ситуациях представляется весьма перспективным терапевтическим средством.

На сегодняшний день показана ведущая роль QS в следующих ситуациях кооперативного поведения бактерий:

• свечение (морские вибрионы);

• образование биопленок (Рs. aeruginosa и многие другие бактерии);

• синтез экзоферментов и других факторов вирулентности (Ps. aeruginosa, S. aureus, E. carotovora);

• синтез антибиотиков (стрептомицеты);

• агрегация клеток и формирование плодовых тел со спорами (миксобактерии);

• переход в споровые формы (бациллы и актиномицеты);

• конъюгация с переносом плазмид (энтерококки и агробактерии).

Интересно то, что у большинства бактерий с групповым поведением наличие нескольких типов автоиндукторов позволяет реализоваться нескольким стабильным статусам/паттернам экспрессии оперонов:

1) в варианте, когда превышена пороговая концентрация всех автоиндукторов;

2) в варианте, когда все индукторы находятся в концентрации ниже пороговой;

3) в промежуточных вариантах с мозаичным достижением пороговых концентраций для разных автоиндукторов (Long T. et al., 2009).

В принципе, это выглядит как усложненный вариант контроля экспрессии бактериальных генов, более сложный, чем классическая оперонная модель Жакоба-Моно. В некотором смысле этот вариант уже напоминает паттерный дизайн экспрессии эукариотических генов со структурой системы, похожей на развитые генные сети. Профиль экспрессии генов в этом случае определяется аккордным созвучием факторов транскрипции, каждый из которых влияет на множество генов, а каждый ген находится под влиянием нескольких факторов транскрипции. Вообще, коммуникации типа quorum sense между предками митохондрий, согласованно атаковавших архейную клетку, и могли стать предтечами экзон-интронной «аккордной» организации эукариотического генома.

Перекрестное «понимание» одних и тех же автоиндукторов различными видами или даже различными более высокими таксонами бактерий вносит дополнительную сложность в сети локальных и глобальных взаимодействий, опосредуемую микробиомом. Например, в результате антибиотикотерапии стрептомицином в кишечнике снижается количество бактерий-фирмикутов («любителей» первобытной диеты с «тяжелыми» углеводами). Похоже, это происходит не только за счет их большей чувствительности к стрептомицину, но и за счет разрушения межвидовых коммуникаций, опосредованных автоиндуктором AI-2, который вырабатывают и «понимают» многие фирмикуты. Соответственно, растет число бактероидов («любителей» современной высокобелковой и жировой диеты с «легкими» углеводами), что ведет к дисбиотическим явлениям в кишечнике. Внесение в мышиный кишечник даже одного вида активных продуцентов AI-2 позволяет гораздо быстрее восстановиться более широкому спектру нормальной микрофлоры (Thompson J. et al., 2015). Система автоиндуктора DPO при высоких концентрациях холерного вибриона, напротив, тормозит кооперативные действия – формирование биопленок в кишечнике и синтез токсина. Взламывание обороны хозяина холерный вибрион достаточно эффективно осуществляет другими инструментами (БОН: глава XIV). QS в данном случае служит сигналом не мобилизации, а демобилизации патогена, его ускоренной эвакуации из кишечника, что формирует характерную клиническую картину холеры и обеспечивает стремительное распространение вибриона в окружающей среде. Есть сведения, что выработка автоиндуктора DPO представителями нормальной микрофлоры (Blautia obeum) в некоторых ситуациях тормозит выработку холерного токсина и колонизацию кишечника, заставляя холерные вибрионы эвакуироваться из кишечника раньше, чем они создадут необходимую концентрацию для его атаки (Hsiao A. et al., 2014; Papenfort K. et al., 2017). Нужно оговориться, что у человека этот механизм может иметь существенные ограничения, так как атакующая концентрация вибрионов холеры (как и инфицирующая доза) для человека чрезвычайно мала. Сходным образом пробиотическая сенная палочка Bacillus subtilis создает сигнальную конкуренцию автоиндукторам золотистого стафилококка. Вырабатываемые B. subtilis липопептиды из группы фенгицинов конкурентно препятствуют связыванию стафилококковых автоиндукторов с рецепторами AgrC, что тормозит синхронизированное высвобождение стафилококками факторов патогенности и их способность колонизировать пораженные поверхности хозяина (Piewngam P. et al., 2018). Обсуждается, что позитивный эффект пробиотических бактерий (как известных, так и, что вероятнее, еще неизученных) может быть связан не только с производством необходимых организму хозяина веществ (необходимых не столько в питательном, сколько в информационном, коммуникационном отношении, таких как бутират (УПС: глава VIII)), обозначаемых часто как мета- или постбиотики, но и с производством собственно молекул межмикробных коммуникаций. Причем для этой цели может требоваться на порядок меньшее содержание пробиотических бактерий, если они будут сверхактивными продуцентами автоиндукторов или других сигнальных молекул коллективного поведения бактерий. Не менее перспективным выглядит и использование для этих