Представьте, что есть стрелы, которые убивают врагов, но не вредят друзьям. Нечто подобное действительно существует и используется в бою, просто в очень маленьком масштабе.
Это — тейлоцины, которые, по мнению учёных, могут иметь множество полезных применений, в том числе способны помочь решить проблему резистентности бактерий к антибиотикам.
«Тейлоцины — это чрезвычайно сильные белковые наномашины, созданные бактериями, — объясняет Вивек Муталик (Vivek Mutalik), научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkley Lab), изучающий тейлоцины и бактериофаги (или просто фаги), остатками которых, судя по всему, являются тейлоцины. — Они [тейлоцины] выглядят как фаги, но у них нет капсида, то есть «головы» фага, содержащего вирусную ДНК и механизм репликации. Они — как иголка на пружине, которая приходит и сидит на целевой клетке, а затем как бы протыкает клеточную мембрану, делая отверстие в цитоплазме, так что клетка теряет свои ионы и содержимое и разрушается».
Многие бактерии способны вырабатывать тейлоцины, и, похоже, делают это в стрессовых условиях. Так как тейлоцины смертельны только для определённых штаммов, они являются инструментом, используемым бактериями против конкурентов. Из-за сходства тейлоцинов с фагами учёные считают, что тейлоцины производятся с помощью ДНК, которая изначально встраивалась в геномы бактерий во время вирусных инфекций. В течение эволюционного времени бактерии отбрасывали те части ДНК фага, которые не были полезны, но сохраняли те, которые могли быть использованы для их собственной выгоды.
Но, в отличие от большинства эволюционных приобретений, тейлоцины не спасают своего хозяина. По словам Муталика, бактерии погибают, если производят тейлоцины, точно так же, как если бы были заражены настоящим фаговым вирусом, потому что тейлоцин пронзает мембрану, разрушая её, чтобы выйти из создавшей его клетки. Но после того, как тейлоцины высвобождаются, они нацеливаются только на определённые, вредоносные штаммы, щадя другие, здоровые и полезные клетки.
Тейлоцины активно исследуются и потенциально имеют множество применений. Муталик с коллегами заинтересованы в том, чтобы использовать тейлоцины для лучшего изучения микробиомов. Другие группы планируют применять тейлоцины как альтернативу традиционным антибиотикам, которые без разбора уничтожают полезные штаммы наряду с вредоносными и становятся всё менее эффективными в связи с развитием бактериальной резистентности к лекарствам.
В своей последней работе, опубликованной в The ISME Journal, сотрудники Лаборатории Беркли изучили генетическую основу и физические механизмы «умения» тейлоцинов атаковать конкретные штаммы и рассмотрели генетические сходство и различия между производителями тейлоцинов и их целевыми штаммами.
После изучения 12 штаммов почвенных бактерий биологи обнаружили доказательства того, что различия в липополисахаридах наружных мембран могут определять, является ли штамм мишенью для конкретного тейлоцина или нет.
«Бактерии, которые мы изучали, живут в сложной, бедной ресурсами среде, поэтому нам интересно посмотреть, как они могут использовать тейлоцины для борьбы за выживание», — рассказал Адам Аркин (Adam Arkin), соавтор работы и старший научный сотрудник факультета бионаук в Калифорнийском университете в Беркли (The University of California, Berkeley).
Аркин отметил, что хотя учёные могут легко побудить бактерий к производству тейлоцинов в лабораторных условиях, всё ещё остается много вопросов о том, как бактерии производят тейлоцины в естественной среде обитания, а также как и почему мишенями становятся совершенно определённые, до мельчайших деталей, штаммы.
Сейчас Муталик, Аркин и их коллеги проводят дополнительные исследования, направленные на выявление механизмов действия тейлоцинов. Они планируют использовать передовые средства визуализации, чтобы сделать снимки всего процесса на атомном уровне, начиная с момента, когда тейлоцин привязывается к клетке-мишени, и заканчивая разрушением клеток.
Подготовка материала: Мария Толмачёва