Вчені виявили, як бактерії прискорюють власну еволюцію

Дослідження підтверджує вирішальну роль ретроелементів, що генерують різноманітність (DGR), у формуванні та адаптації мікробіома кишечника людини.

Пластичність геному та еволюція білків за допомогою ретроелементів Bacteroides, що генерують різноманітність. DGR швидко еволюціонують у ліганд-зв’язуючі білки і збагачують мікробіом кишечника людини. Ми показали, що Bacteroides містять великий і різноманітний асортимент DGR, багато з яких урізноманітнюють адгезини для пілі типу V і можуть горизонтально переноситися між штамами. Конкуруючи з іншими бактеріями в кишечнику, а також під час передачі від матері до дитини після народження, DGR демонструють ознаки позитивного відбору. TR – шаблонний повтор; VR – варіабельний повтор. Джерело: Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv2111

Група дослідників з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі дослідила понад 1100 унікальних DGR у бактеріях роду Bacteroides, що є типовими представниками кишкової мікрофлори. DGR — це комплекси генів, які здатні замінювати одну з основ ДНК (переважно аденін) на цитозин, гуанін або тимін, створюючи випадкові мутації у специфічних ділянках геному. “Ми лише починаємо усвідомлювати, наскільки мало знаємо про DGR і яку силу вони можуть мати в майбутньому”, — зазначає Джефф Міллер, керівник дослідження.

Вчені виявили, що DGR найчастіше націлені на гени білків-пілей, які забезпечують бактеріям можливість прикріплюватись до різних поверхонь. Такі зміни дозволяють мікробам ефективніше адаптуватися до нових умов, зокрема — до індивідуального мікробіома кожної людини. “Бактерія, яка ідеально підходить для одного кишечника, може швидко змінити свої властивості, щоб вижити в іншому”, — пояснює Бен Макадангданг, неонатолог і співавтор дослідження.

Завдяки явищу горизонтального переносу, DGR можуть передаватись між бактеріями різних штамів, прискорюючи адаптивну еволюцію спільноти. Особливо важливим є те, що деякі DGR передаються від матері до дитини, допомагаючи новонародженим бактеріям закріпитись у новому середовищі. Це підтверджує роль DGR у формуванні мікробіома немовлят та його зв’язку з розвитком імунної системи.

Мікробіом кишечника не лише відповідає за синтез вітамінів і захист від патогенів, але й впливає на стан мозку, імунітет та загальне здоров’я. Його дисбаланс пов’язують із хворобою Крона, метаболічним синдромом, раком кишківника, а також із психологічними розладами. “Ці знання про DGR одного дня можуть бути застосовані для створення корисних мікробіомів, які сприятимуть зміцненню здоров’я”, — підкреслює Міллер.

DGR функціонують подібно до механізмів, за допомогою яких імунна система виробляє антитіла, але на відміну від неї, можуть безкінечно створювати нові варіанти білків у межах однієї клітини. Їхня здатність до генерації різноманіття переважає навіть репертуар антитіл людини: “Щоб уявити це, потрібно 270 мільйонів Емпайр-Стейт-Білдінгів, заповнених піщинками, що символізують унікальні варіації DGR”, — йдеться у статті в журналі Science.

Мікробіом — динамічна екосистема, що реагує на середовище та постійно еволюціонує. Вивчення DGR відкриває нові шляхи до цілеспрямованого формування здорової мікробної спільноти, що зможе захищати організм від захворювань ще з раннього дитинства.