Срочные новости раздела
Учёные выявили роль случая в возникновении бактерий, устойчивых к антибиотикам

Учёные выявили роль случая в возникновении бактерий, устойчивых к антибиотикам

Исследователи из лаборатории Константина Северинова описали роль случайности в процессе приобретения и поддержании клетками бактерий небольших молекул ДНК, называемых плазмидами. Находящиеся на плазмидах гены делают бактерии устойчивыми к антибиотикам, и для борьбы с этим опасным явлением необходимо учитывать выявленные в исследовании закономерности.

В верхнем ряду — динамика образования колонии, возникающей из одной клетки кишечной палочки. Исходная клетка содержит плазмиду, против которой действует CRISPR-Cas. Клетки, окрашенные зелёным красителем, имеют плазмиду; остальные её потеряли под действием CRISPR-Cas. © Виктор Мамонтов и др./PNAS

Плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК. Попав в бактериальную клетку, они используют её ресурсы для того, чтобы воспроизводить самих себя и передаваться в дочерние клетки. Клетки способны бороться с плазмидами с помощью защитных систем CRISPR-Cas.

Название CRISPR-Cas отражает два ключевых компонента системы. CRISPR — своего рода база образцов чужеродной ДНК, с которой ранее сталкивалась бактерия. Они используются для распознавания повторно вторгающихся в клетку вирусов-бактериофагов или плазмид. Затем такую чужеродную ДНК уничтожают белки Cas.

Прежде считалось: будучи узнанными системой CRISPR-Cas, плазмиды либо очень быстро уничтожаются, либо изменяют (мутируют) свою ДНК, так что она становится незаметной для CRISPR-Cas. То есть выдерживать прямую конфронтацию с CRISPR-Cas плазмиды не могут.

«Мы доказали, что это не всегда так, — рассказывает первый автор исследования, аспирант Сколтеха Виктор Мамонтов. — Дело в том, что CRISPR-Cas может устранять конечное число молекул плазмиды в единицу времени. Поскольку плазмидная ДНК постоянно копируется, для каждой пары „плазмида — нацеленная на неё система CRISPR-Cas“ существует такая точка, в которой скорости этих двух разнонаправленных процессов уравновешивают друг друга. Если такое равновесие установится, то плазмида может закрепиться в клетках и без накопления дополнительных мутаций».

Математическое моделирование показало, что небольшой процент клеток, захвативших плазмиду, самопроизвольно приходит в положение равновесия с CRISPR-Cas по воле случая.

Мамонтов поясняет: «Хотя при попадании одиночной плазмиды в клетку у неё крайне мало шансов уклониться от защиты CRISPR-Cas, если ей „повезёт“, она может успеть размножиться до того, как Cas-белки её уничтожат. Это не только создаёт возможность устойчивого существования плазмид в клетках с противодействующей им системой CRISPR-Cas, но и даёт дополнительные возможности для возникновения случайных защитных мутаций в плазмидной ДНК, которые полностью выведут её из-под действия CRISPR-Cas».

«Если перейти от борьбы плазмид за выживание внутри отдельно взятой клетки на уровень клеточной популяции — например, колонии клеток, выросшей на чашке Петри — то здесь нам тоже удалось сделать неожиданное наблюдение, — говорит Мамонтов. — Можно было бы предположить, 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. Оказалось, что это не так: большинство клеток вообще не имеет плазмид и существует в присутствии антибиотика за счёт очень немногих клеток, которые достигли устойчивого равновесия между плазмидами и CRISPR-Cas. Именно эти редкие клетки позволяют остальным выжить в присутствии антибиотика».

«По всей видимости, устойчивые к антибиотику клетки помогают остальным клеткам, создавая вокруг себя безопасное пространство. И небольшой доли клеток с плазмидами оказывается достаточно на всю популяцию», — говорит Мамонтов.

По словам учёных, способность плазмид случайно обходить защитное действие CRISPR-Cas и достигать положения равновесия делает бактериальную популяцию более стабильной, повышая её разнообразие. Отдельные клетки могут нести ненужную в текущих условиях плазмиду, которая при изменении условий может оказаться полезной и даже спасти популяцию от вымирания.

Предложенная авторами модель включает в себя указанные выше особенности распространения плазмид как в отдельной клетке, так и в клеточной популяции и позволит разрабатывать методы удаления плазмид устойчивости к антибиотикам из клеток патогенных бактерий. Учёные в разных странах стремятся приспособить для этой цели системы CRISPR-Cas: по задумке они смогут лишать особо опасные резистентные бактерии плазмид с генами устойчивости к антибиотикам. Без понимания тонкостей взаимодействия CRISPR-Cas и плазмид создать такие инструменты не получится.

Работа опубликована в журнале PNASИсточник: skoltech.ru

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Исследователи из Йельского университета (США) обнаружили, что воздействие света на нанопроволоки, созданные биопленочными сообществами бактерий, может увеличить электропроводность в этих природных
подробнее...

Китайские физики заставили бозе-конденсат атомов распределиться по синтетической импульсной решетке, полученной с помощью встречных лазеров с различным набором частот. Такая система понадобилась им,
подробнее...

Ученые физического факультета МГУ вместе с коллегами из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН и Национального исследовательского университета МИЭТ придумали способ кодировать
подробнее...

Ученые МГУ предложили новую молекулярную систему для управления активностью генов. В ее основе лежит искусственно сконструированный комплекс на базе вирусного фермента, способный присоединяться к
подробнее...

В настоящее время науке известны онкогенные мутации в более чем 300 генах, и зачастую возникает необходимость ранжировать их, чтобы определить мишени для основного воздействия при лечении. Но в
подробнее...

Новое исследование на мышах — и небольшое испытание, уже проведенное на людях — открывает перспективы лечения, которое поможет уменьшить когнитивные проблемы у людей с синдромом Дауна.
подробнее...

Испанские исследователи из Университета Овьедо изучили геном медузы Turritopsis dohrnii, известной как «бессмертная медуза». В отличие от родственных видов, эта медуза способна при определенных
подробнее...

Российские ученые предложили микробиологический метод, позволяющий эффективно синтезировать урсодезоксихолевую кислоту — препарат, который широко используется при лечении различных заболеваний печени.
подробнее...

Физики-теоретики обнаружили, что в концентрических кольцах фотонов, которые вращаются вокруг черных дыр, есть конформная симметрия — внешние кольца являются увеличенной копией внутренних. Для этого
подробнее...

Сотрудники биологического факультета МГУ создали первую полную электростатическую карту поверхности SARS-CoV-2. Она показывает распределение зарядов на компонентах оболочки коронавируса и позволяет
подробнее...

Необычный эффект, полученный индийскими коллегами в плазменно-пылевой системе, объяснили ученые Московского физико-технического института и Объединенного института высоких температур РАН. Эксперимент
подробнее...

Одной из первых планирующих рептилий был целурозавравус, который жил на территории современного Мадагаскара в конце пермского периода. Палеонтологи переописали этот вид и подтвердили, что образом
подробнее...

Группа ученых экспериментально  установила , что в брачных сигналах красноглазых квакш играет роль не только звук, но и вибрация растений, на которых они сидят
подробнее...

Ученым из Стэнфорда удалось сконструировать сообщество из микроорганизмов, характерных для микробиома кишечника человека. Для этого они собрали вместе 104 вида бактерий. Позже, к сообществу
подробнее...

Пять человек с тяжелым аутоиммунным заболеванием — системной красной волчанкой — стали первыми в мире, кто получил новаторскую терапию, использующую генетически измененные клетки. Проведенное в
подробнее...

Красноярские ученые научились настраивать магнитные взаимодействия между наночастицами ферригидрита за счет модификации их поверхности. Это позволит управлять магнитными характеристиками наночастиц и
подробнее...

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета совместно с врачами и сотрудниками научно-исследовательского отдела Городской больницы № 40 обнаружили биомаркеры, которые позволяют
подробнее...

Сотрудники МГУ совместно с коллегами определили структуру белка, которого недостает у больных синдромом Вильямса. Это тяжелое генетическое заболевание человека, известное как синдром лица эльфа.
подробнее...