Устойчивость без вакцин: как иммунитет жуков заставляет бактерии мутировать

Ученые из Мюнстерского университета показали, что даже «примитивный» иммунитет насекомых влияет на мутацию бактерий. Это может изменить подходы к биозащите и медицине.

Красный мучной хрущак — герой иммунного эксперимента

Источник: wikimedia

Немецкие биологи впервые выяснили, как иммунная память насекомых влияет на эволюцию патогенных бактерий. В фокусе — красные мучные хрущаки и их природный враг, бактерия Bacillus thuringiensis tenebrionis, используемая для контроля вредителей, сообщает издание PLOS Pathogens.

В отличие от людей, у насекомых нет приобретенного иммунитета, но есть врожденный — и он умеет «запоминать» опасность. Это так называемое иммунное праймирование: после первого контакта с возбудителем организм быстрее и сильнее реагирует на повторную атаку.

Как проводили эксперимент: Слева — схема восьми циклов заражения мучного хрущака (Tribolium castaneum) спорами бактерий Bacillus thuringiensis. Верхняя линия (розовая) — жуки с заранее активированным иммунитетом (primed hosts), нижняя (синяя) — контрольные жуки без подготовки. На каждом этапе бактерии развивались внутри насекомых, после чего споры снова использовались для заражения. Справа показано, как затем измеряли генетические и биологические свойства бактерий — их вирулентность, скорость роста и изменения в геноме — в разных условиях.

Источник: PLoS Pathogens

Группа под руководством профессора Йоахима Курца провела эксперимент с восьмикратным заражением личинок хрущака бактерией B. thuringiensis. В одной группе жуков заранее активировали иммунитет (праймировали), в другой — нет.

После каждой «волны» заражения ученые выделяли бактерии из погибших жуков и вновь использовали их для инфицирования. Таким образом бактерии эволюционировали под действием иммунной системы, а сами жуки в ходе эксперимента не менялись.

На графиках сравниваются три группы бактерий Bacillus thuringiensis: A — предковая линия (желтый), C — эволюционировавшая в обычных жуках (синий), P — эволюционировавшая в жуках с активированной иммунной системой (розовый). A: Все точки ниже пунктирной диагонали — это значит, что смертность у жуков с «включенной» защитой всегда ниже, чем у обычных. B и C: В обычных жуках (B) бактерии из группы P по опасности не уступают другим, но в защищенных организмах (C) вызывают меньшую смертность. D и E: Бактерии из группы P показывают наибольшую изменчивость вирулентности (по коэффициенту вариации k-CV). Вывод: даже простая иммунная защита у насекомых может не только снижать смертность, но и сдерживать эволюцию более агрессивных штаммов.

Источник: PLoS Pathogens

Результат: средняя вирулентность (то есть способность убивать хозяев) осталась прежней, но разброс сильно увеличился — бактерии из праймированных жуков стали вести себя менее предсказуемо. Это указывает на то, что врожденная иммунная память усиливает разнообразие в популяции возбудителей.

Молекулярный анализ показал, что изменения не ограничились поведением. В бактериях активизировались мобильные элементы ДНК — плазмиды и профаги. Особенно изменилась активность гена Cry3Aa, связанного с токсичностью. Однако его экспрессия напрямую не объясняет изменение вирулентности.

Более того, даже в условиях сильного иммунного давления у бактерий не возникла стойкость к праймированию. Патогены не научились «обходить» иммунную память жука и теряли вирулентность в праймированной среде.

Бациллы B. thuringiensis под давлением иммунной системы

Иммунное праймирование используется не только в лабораториях. В массовом разведении насекомых (например, мучных червей) его применяют как альтернативу вакцинации. Также это направление набирает популярность в медицине — как часть концепции «тренированного» иммунитета.

Как подчеркивает ведущий автор Ана Корша, важно понимать: даже неполная иммунная защита может изменить эволюционный путь бактерий. А значит, ее использование должно учитывать не только краткосрочный эффект, но и возможные последствия в будущем, сообщается в издании Phys.

Наши выводы интересны с медицинской точки зрения, так как мы хотим предотвратить усиление заразности бактерий в результате мутаций

Ана Корша

автор исследования

Ранее мы рассказывали о полезных бактериях, способных питаться опасными фторсодержащими соединениями, разрушая их.