Bacteriile înfometate schimbă ADN de peste 100 de ori mai des decât mutațiile spontane
O echipă de cercetători de la Institutul de Știință și Tehnologie din Austria (ISTA) a descoperit că bacteria intestinală Escherichia coli poate folosi bacteriofagii și imunitatea CRISPR-Cas pentru a transfera și a încorpora ADN atunci când se află în stare de înfometare, accelerând astfel rearanjarea genetică. Procesul seamănă cu o formă primitivă de reproducere sexuală și ar putea ajuta populațiile bacteriene să se adapteze la condiții în schimbare. Rezultatele au fost publicate în revista Molecular Biology and Evolution.
Pavel Payne și Călin Guet, cercetător postdoctoral și respectiv profesor la ISTA, au arătat că bacteriile reușesc să transfere ADN de peste 100 de ori mai des decât rata mutațiilor spontane. „Bacteriile folosesc CRISPR-Cas, un sistem de apărare împotriva virusurilor bacteriene care a stat ulterior la baza tehnologiilor de editare genetică, pentru a transporta ADN între ele. Celulele receptoare pot încorpora acest ADN în propriile genome și îl pot transmite vertical urmașilor, ceea ce reprezintă de facto un act sexual”, a explicat Guet.
Cercetarea se bazează pe descoperirea transferului orizontal de gene, mecanism descris acum aproape un secol, când a fost identificată așa-numita competență naturală la bacterii. Acest mecanism le permite unor bacterii să preia activ ADN liber din mediu și să îl integreze în genom. Totuși, doar o minoritate a bacteriilor sunt capabile în mod natural de acest proces. În anii 1940 a fost descoperită conjugarea, un alt tip de transfer orizontal, prin care bacteriile schimbă material genetic, inclusiv gene de rezistență la antibiotice, prin contact direct celulă-celulă. Câțiva ani mai târziu a fost identificată transducția, un al treilea mecanism.
În cazul transducției, atunci când un bacteriofag infectează o celulă bacteriană și se replică în interiorul acesteia, poate împacheta accidental fragmente de ADN bacterian, care pot fi apoi transferate altei celule. Acest proces nu poate însă susține un schimb frecvent de ADN într-o populație bacteriană, deoarece majoritatea virusurilor nou produse, purtând propriul genom, ar ajunge să distrugă populația bacteriană susceptibilă. Pentru a depăși această dificultate, bacteriile au dezvoltat sisteme de apărare precum CRISPR-Cas, care vizează genomul fagului și oferă protecție împotriva unei infecții ulterioare cu același fag.
Payne și-a finalizat doctoratul la ISTA în 2016 și a revenit la institut în 2025 ca cercetător postdoctoral în grupul Guet. În timpul doctoratului, el a găsit dovezi că sistemul imunitar bacterian poate duce la imunitate de grup în rândul bacteriilor. „Imunitatea de grup nu protejează doar bacteriile care poartă direct sistemul imunitar, ci și pe cele care nu îl au”, a spus el.
Prin dobândirea imunității împotriva fagilor, bacteriile nu doar se protejează, ci și permit un schimb frecvent de gene. Deși sunt prădători letali pentru celulele susceptibile, fagii devin de facto polenizatori, transportând ADN bacterian între celule, la fel cum insectele transportă polenul între flori, ceea ce ajută bacteriile să-și rearanjeze informația genetică.
Cercetătorii de la ISTA subliniază că, deși prevalența acestei forme de transfer orizontal de gene rămâne scăzută în populațiile bacteriene, ea se produce totuși la o rată de peste 100 de ori mai mare decât cea a mutațiilor spontane. În condiții favorabile de creștere, bacteriile se reproduc asexuat, însă echipa a observat că acest proces de transfer de ADN asemănător sexului are loc atunci când bacteriile sunt aproape de înfometare. Cerința pentru o genă specifică a legat mecanismul de răspunsul la înfometare.
„Din perspectivă evolutivă, reproducerea sexuală poate fi deosebit de avantajoasă în condiții de stres. Rezultatele noastre sugerează că E. coli poate folosi o strategie comparabilă de rearanjare a ADN-ului în condiții de înfometare”, a declarat Payne. Inovația genetică prin mutație singură poate fi relativ lentă, iar mutațiile benefice apar în general considerabil mai rar decât cele dăunătoare și în indivizi diferiți. Schimbul de ADN poate aduce aceste variante benefice împreună, accelerând adaptarea.
