Система секреции типа VI (T6S) — разрушительный механизм быстрого уничтожения, который, как было обнаружено, существует почти у четверти грамотрицательных бактерий, включая Vibrio cholerae — инфекционный агент, вызывающий холеру, — и Pseudomonas aeruginosa, универсальный возбудитель, способный вызвать сепсис и органную недостаточность.Новое исследование, проведенное Принстонским университетом и Базельским университетом в Швейцарии, показало, что T6S, который когда-то считался микробным супероружием, можно предотвратить, если группы целей достаточно велики, когда начинается штурм. Хотя организмы за пределами кластера погибнут, защищенные внутренние клетки могут размножаться достаточно быстро, чтобы пополнить численность группы изнутри — даже до точки, когда количество нерестящихся целей превышает количество умирающих — и атакующие бактерии не могут перенимать.Как сообщается в журнале PLOS Computational Biology, результаты, в которых компьютерное моделирование сочетается с наблюдениями за живыми бактериями, могут дать представление о том, как клетки противостоят мощным агрессорам, которые ученые могут использовать для разработки методов лечения патогенов.
«Наличие T6S — это не оружие« терминатора », как оно выглядело изначально и как думали многие люди», — объяснил первый автор Дэвид Боренштейн, научный сотрудник Принстонского института интегративной геномики им. Льюиса-Сиглера. «Теперь мы думаем, что причина того, что у большего количества бактерий его нет, заключается в том, что это не обязательно хорошее оружие».Исследователи предполагают, что T6S может быть лишь случайным оружием, используемым для уничтожения конкретных целей при определенных обстоятельствах, что могло бы помочь предотвратить случайное уничтожение полезных бактерий.
По словам Боренштейна, система секреции также очень энергоемкая. Таким образом, бактерии, полагающиеся в первую очередь на T6S, будут постоянно вырабатывать токсины.
«Похоже, существуют определенные обстоятельства, при которых T6S может быть полезен», — сказал Боренштейн. «Он не просто включается и волей-неволей запускается во всех направлениях. Это определенно то, что используют бактерии».
В новом повороте исследователи обнаружили, что система T6S также может играть потенциальную роль в качестве защитного оружия, когда клетки с T6S атакуют другие клетки, у которых он также есть. Будучи невосприимчивыми к своим собственным системам секреции, клетки могут убивать друг друга.
Компьютерное моделирование показало, что когда бактерии, оснащенные T6S, атакуют других, организмы с большинством населения выигрывают.«Если у бактерий есть T6S и устоявшаяся популяция, им будет намного легче защититься от вторгающегося микроба, даже если он есть у злоумышленников», — сказал Боренштейн. «Система T6S — это способ иметь резервную защиту без постоянной выработки защитных токсинов и без непреднамеренного уничтожения бактерий, которые могут быть полезны в то же время».По словам Джеффа Гор, доцента физики Массачусетского технологического института, сочетание моделирования и лабораторных работ — примечательная особенность этой работы, которую можно использовать для лучшего изучения других биологических систем и взаимодействий.
Работа показывает, что уникальные и потенциально важные идеи могут возникнуть в результате обмена компьютерным моделированием и экспериментами, сказал Гор, который знаком с работой, но не принимал в ней участия.«Эта статья представляет собой прекрасный пример сочетания биологически мотивированного моделирования с лабораторными экспериментами», — сказал Гор. «Это мощный метод исследования, который, на мой взгляд, может быть плодотворно использован для выяснения многих других биологических систем. В частности, большее моделирование должно быть мотивировано неожиданными экспериментальными результатами, а большее количество количественных экспериментов должно быть мотивировано неожиданными теоретическими предсказаниями».Боренштейн и соавтор Нед Вингрин, доцент кафедры естественных наук и профессор молекулярной биологии Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера из Принстона, Говард А., впервые смоделировали атаку клеток с T6S на клетки, уязвимые для системы секреции.
По словам Боренштейна, устойчивость клеток-мишеней была неожиданной.«Явление, которое мы наблюдали, похоже на стадо животных, которые собираются вокруг друг друга при нападении хищников — особи снаружи уязвимы, но внутренняя часть сообщества защищена», — сказал Боренштейн. «Но в этом случае животные-жертвы внутри быстро воспроизводятся во время нападения. Когда их было достаточно, уже не имело значения, сколько хищников уже было — они не могли победить».Соавторы Марек Баслер, профессор биологии, и аспирант Питер Рингель, оба из Базельского университета, протестировали моделирование в лаборатории на живых бактериях, сопоставив V. cholerae с бактериями Escherichia coli, которые уязвимы к T6S. и нашел те же результаты.
Статья 2013 года, опубликованная в журнале Cell, в которой Баслер был первым автором, вдохновила на текущее исследование.По словам Баслера, моделирование позволило исследователям не только развить свои предыдущие лабораторные работы, но и реализовать теории, которые было бы трудно реализовать физически.«Еще до этого сотрудничества моя группа и другие специалисты в этой области сделали определенные наблюдения, которые мы объясняли только интуитивно», — сказал Баслер. «Одно из преимуществ этих симуляций состоит в том, что можно варьировать параметры, которые не так легко изменить экспериментально, такие как скорость гибели или скорость роста, и узнавать, что произойдет при конкуренции штаммов бактерий в совершенно разных условиях.«Во многих случаях методы, которыми мы устанавливаем наши конкурентные анализы в лаборатории, являются искусственными; в природе вы вряд ли увидите экспоненциально растущие бактериальные сообщества», — сказал он. «Но здесь мы показали, что клетки-жертвы могут побеждать, перерастая конкуренцию, даже если их постоянно убивают.
Я считаю, что в будущем мы откроем для себя больше стратегий о том, как клетки-жертвы справляются с агрессорами».Wingreen инициировала проект после прочтения статьи Basler за 2013 год. Это исследование показало, что когда P. aeruginosa атаковал V. cholerae и бактерии Acinetobacter baylyi, у которых также есть система T6S, они прибегали к использованию T6S только тогда, когда они обнаружили, что их цели также использовали его. По его словам, Вингрин начал думать, что, возможно, использование T6S является избирательным и что бактерии учитывают затраты и преимущества.
Он обратился к Боренштейну, инженеру-программисту, который разработал программу моделирования под названием Nanoverse, которая предсказывает результаты биологических процессов.«Мы быстро поняли, что пространственная структура конкурирующих штаммов имеет решающее значение для результата — существует критический размер домена, выше которого выживут чувствительные колонии», — сказал Вингрин. «Реальная биология всегда сложнее наших моделей, поэтому, чтобы подтвердить, что эта простая идея действительно поддерживается в реальной системе, мы инициировали экспериментальное сотрудничество. Наблюдения [Баслера и Рингеля] подтвердили наше главное предсказание — большие колонии могут пережить нападение а маленькие погибнут ".
Обнаруженная исследователями динамика также может применяться к другим естественным сценариям, в которых уязвимый организм сталкивается с мощным противником, таким как коралловые рифы, изо всех сил пытающиеся противостоять водорослям, сказал Вингрин. Устойчивость такого организма может зависеть от усиления его популяции до нападения и обеспечения того, чтобы он мог поддерживать устойчивую регенерацию во время нападения.
В самом деле, сказал Гор, исследователи показывают, что такие соображения, как пространственная структура, могут вытеснить принципы, которые в противном случае считались истинными.«Учитывая, что производящие токсины штаммы могут убивать чувствительные к токсинам штаммы, естественно предположить, что производство токсинов всегда будет распространяться среди населения», — сказал Гор. «Однако эти исследователи продемонстрировали, что судьба продукции токсинов в популяции в решающей степени зависит от размера доменов, которые занимает каждый из этих штаммов.
«Мир микробов полон примеров разнообразного взаимодействия клеток, конкурентного или кооперативного», — сказал он. «Эта работа подчеркивает, что диапазон такого взаимодействия может быть очень важным».