Вирусы, поражающие бактерии, известные как бактериофаги, можно целенаправленно использовать для борьбы с бактериальными заболеваниями. Они также играют важную экологическую роль в глобальных биогеохимических циклах. Недавнее исследование, проведенное исследователями из Университета Кайзерслаутерн-Ландау (RPTU), выявило ранее неизвестный вспомогательный метаболический ген у водных фагов, тем самым значительно расширив прежние представления об этих бактериальных хищниках.

Работа опубликована в журнале Природные коммуникации.

Фаги — это вирусы, которые атакуют исключительно бактерии. Цель многих ученых — узнать больше об этих крошечных репликативных единицах размером от 20 до 300 нм (толщина волоса составляет 80 000 нм).

«Если мы поймем детали того, как фаги в конечном итоге заражают и убивают бактерии, то в будущем мы сможем использовать их специально против вредных бактерий», — объясняет профессор Николь Франкенберг-Динкель из RPTU. Команда микробиологов исследует различные стратегии, которые используют фаги, чтобы превратить бактерии в «фабрики» по их репликации, то есть производству сотен новых фагов.

«Нас особенно интересуют водные среды обитания, особенно океаны и озера, поскольку фаги встречаются в больших количествах и играют важную экологическую роль в переработке питательных веществ», — говорит профессор Франкенберг-Динкель.

Долгосрочная цель исследований бактериофагов состоит не только в применении фаговой терапии для борьбы с «плохими» бактериями, ответственными за болезни, но также (придерживаясь водной среды обитания) для решения экологической роли фагов в глобальных круговоротах питательных веществ.

Фаги играют решающую экологическую роль в водной среде, контролируя популяции бактерий, поддерживая микробное разнообразие и влияя на круговорот питательных веществ посредством таких процессов, как вирусный шунт. Они также стимулируют микробную эволюцию, способствуя горизонтальному переносу генов – передаче от одного организма к другому, а не – как это обычно бывает – от поколения к поколению – и оказывая селективное давление на бактерии.

В недавнем исследовании команда Франкенберга-Динкеля в сотрудничестве с исследователями из Израиля, Нидерландов, Тюбингена и Стехлина/Потсдама проанализировала генетический материал фагов из образцов окружающей среды с использованием биоинформатики.

«Обычно этот генетический материал в основном содержит информацию о проекте для производства новых фаговых частиц. Затем фаги используют бактерии в качестве фабрик», — говорит профессор.

Однако исследователи также обнаружили в генетическом материале фага «вспомогательные метаболические гены». Эти вспомогательные гены изначально произошли от бактерий и когда-то были захвачены фагами. Они не необходимы для сборки новых фаговых частиц, а вместо этого служат для «перепрограммирования» хозяина, а именно бактерий, во время фаговой инфекции.

«В нашем исследовании мы обнаружили в фагах ранее неизвестный вспомогательный метаболический ген», — говорит Франкенберг-Динкель, объясняя свои последние результаты. «Нам удалось показать, что этот ген кодирует активный белок, который важен для биосинтеза «пигментов жизни»».

Тетрапирролы называют пигментами жизни. Наиболее важными представителями этих химических соединений являются гем, компонент гемоглобина в крови, обеспечивающий транспорт кислорода, и хлорофилл, пигмент зеленых листьев, необходимый для фотосинтеза.

Франкенберг-Динкель отмечает: «Наши результаты показывают, что тетрапирролы играют важную роль во время фаговой инфекции. Они кажутся настолько важными, что фаги несут этот дополнительный генетический материал, потому что он каким-то образом полезен для них».

«Важность тетрапирролов для фаговой инфекции ранее не была известна в такой степени. Тетрапирролы необходимы для производства энергии в клетках», — продолжает Франкенберг-Динкель. «Мы подозреваем, что существует повышенная потребность в энергии, когда бактериям приходится производить фаговые частицы. Поэтому может потребоваться больше тетрапирролов».

Исследователям удалось продемонстрировать, что вспомогательный метаболический ген присутствует у фагов, идентифицированных как в соленой, так и в пресной воде.

По словам Франкенберга-Динкеля, результаты текущего исследования показывают еще один интересный вывод: существует два способа получения первого предшественника тетрапирролов, один из которых — так называемый путь Шемина. И именно этот путь — или, скорее, необходимый для него генетический состав — исследователи определили в фагах.

«Путь Шемина обнаружен только у одной группы бактерий, а в остальных случаях только у птиц и млекопитающих. Это означает, что фаги должны были приобрести этот ген от определенной группы бактерий. Возможно, потому, что путь Шемина более эффективен, чем альтернативный путь C5. путь, поскольку для него требуется только один фермент вместо двух», — заключает она.