Коеволюція Фагів та Бактерій: Війна, в якій ніхто не Перемагає

Найшвидша хижацька перегонка на Землі

Бактериофаги – віруси, що заражають бактерії – є найбільш поширеними біологічними об’єктами на планеті, і їхня взаємодія з бактеріальними господарями є безперервним, надзвичайно швидким за темпом еволюційним протистоянням. Фаг повинен розпізнавати та зв’язуватися з певним рецептором на поверхні бактеріальної клітини, щоб ввести свій генетичний матеріал; бактерія, яка мутує цей рецептор незначною мірою, може стати стійкою до інфекції, завдаючи певної метаболічної вартість, оскільки рецептор зазвичай виконує корисну для клітини функцію, крім місця прикріплення фага. Лінія фагів може розвинути мутований рецептор розпізнавання, який знову зв’язується з зміненим рецептором. Оскільки як бактерії, так і фаги розмножуються за часом від декількох хвилин до кількох годин, цей обмін не відбувається у вигляді поколінь у людському сенсі – він може відбуватися протягом днів у одному флаконі.

Соответствие аллелей: модель замка-ключа

Один стандартный способ моделировать это — модель соответствующего аллеля: каждый бактериальный генотип несет вариант рецептора, каждый фажейный генотип несет соответствующий признак распознавания, и фаге́й может успешно заразить бактерию только в том случае, если его "ключевой" аллель соответствует этому бактерии "защечному" аллелю — нет частичных оценок, нет перекрестного заражения при несоответствии. Это действительно отличается от простой модели «более подходящий генотип всегда побеждает», поскольку риск заражения явно зависит от частоты: наиболее распространенный бактериальный генотип является наиболее ценной целью для фа́гея, специализирующегося на нем, поскольку фаге́й, соответствующий обычному хозяину, имеет обильное количество жертв. Когда этот фагейный генотип распространяется и подавляет свой сопоставимый хозяин, численность этого генотипа хозяина падает, делая его менее ценной целью — в то время как другой, ранее редкий генотип хозяина, подвергающийся меньшему давлению со стороны несовместимых фа́геев, теперь может увеличить свою численность.

// matching-allele infection: phage genotype j only infects host genotype j
dHost_j/dt  =  r * Host_j * (1 - totalHost/K)  -  beta * Phage_j * Host_j
dPhage_j/dt =  epsilon * beta * Phage_j * Host_j  -  d * Phage_j

// as Host_j rises (currently common) → more infections of genotype j → Phage_j rises
// rising Phage_j suppresses Host_j → Host_j falls → Phage_j starves and falls too
// meanwhile Host_k (k != j, rarer) faces less matched phage pressure → Host_k rises
// negative frequency-dependence drives sustained multi-genotype cycling, not one winner

Квантова піраміда: постійний рух у пошуках рівноваги

Еволюційний біолог Лейґ Ван Вален назвав цей динамізм гіпотезою Червоної Королеви в 1973 році, на честь персонажа у «Крізь зеркал» Льюїса Керрола, яка розповідає Алісі: «Це вимагатиме всіх зусиль, щоб залишатися на місці». Генетип бактерії, який здається стійким, є лише стійким відносно популяції фагів, що зараз присутні – він не досяг якоїсь постійної, абсолютної оборони. Як тільки з’являється відповідний генетичний тип фагів і стає більш поширеним, той самий генетип бактерії зазнає сильної атаки знову. Жодна зі сторін не накопичує постійної, складною переваги так, як це може свідчити гонка озброєнь у фіксованій зброї; обидва популяції постійно адаптуються, щоб підтримувати своє відносне положення, тому ці системи схильні до стабільного циклу – коливання частоти генетипів замість того, щоб одна лінія витісняла іншу або досягла постійної домінування.

Спостерігаючи це в режимі реального часу, у склянку

Через надзвичайно короткі поколінні цикли, еволюція бактерій-фагів відбувається одним з небагатьох етапів співрозвитку, які дослідники можуть спостерігати безпосередньо в лабораторії, а не робити висновки на основі викопних або філогенетичних даних. Довготривалі експериментальні дослідження еволюції — зокрема, роботи з бактерією Pseudomonas fluorescens та її фагом SBW25Φ2 — послідовно відбирали обидва популяції протягом сотень поколінь, секвенували та тестували інфекційність, щоб точно відтворити, які мутації стійкості та контр-інфекційності виникали та зникали, і коли. Ці експерименти показали, що циклізм «Червоної королеви» — не просто теоретична цікавість: вимірювані, повторні епізоди місцевої стійкості господаря та контр-адаптації фагів проявляються протягом тижнів, а конкретні молекулярні зміни, що беруться участь у цьому — мутації, які змінюють структуру поверхневого рецептора з одного боку, структуру хвостового волокна або білка зв’язування рецепторів на іншому — можуть бути відстежені мутацію за мутацією.

Чому це має значення за межами екології

Розуміння еволюції бактерій-фагів стало безпосередньо практичним, оскільки резистентність до антибіотиків знову робить фагеротерапію — використання фагів для лікування бактеріальних інфекцій — активною областю клінічних досліджень, через століття після того, як її вперше спробували на Заході після появи антибіотиків. Стратегія лікування, яка ігнорує еволюцію, ризикує створити саме ту проблему, яку вона намагається вирішити: бактерії можуть розвинути резистентність до фагів під час лікування так само, як вони розвивають резистентність до антибіотиків, тому сучасні протоколи фагеротерапії все більше використовують коктейлі з кількох генотипів фагів і відстежують виникнення резистентних варіантів, безпосередньо запозичуючи концепцію відповідності алелей та фреймворк «Червона королева», побудований для пояснення диких систем бактерій-фагів.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.