Пчелиные волки — одиночные осы-землекопы, которые несут парализованных пчел в свои подземные ячейки для расплода; они служат пищей для их потомства. После того, как личинки вылупятся из яиц, они питаются пчелами, а затем зимуют в коконе в земле.
Во время спячки им постоянно угрожают быстрорастущие плесневые грибы, споры которых повсеместно присутствуют в почве. Чтобы защитить своих детенышей, пчелы не только разработали собственные защитные механизмы, но и полагаются на химический арсенал микроорганизмов. Взрослые самки размножают бактерии рода Streptomyces в своих антеннах и откладывают эти бактерии на стенках клеток расплода, в которых развиваются их личинки. Когда личинка прядет свой кокон, она вплетает Streptomyces в шелк кокона.
Поскольку бактерии производят коктейль из различных антибиотиков, образуется защитный слой, который предотвращает попадание плесневых грибов в кокон и заражение личинок.В настоящем исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Майнца и Йены показали, что защитный симбиоз между пчелами и их бактериальными партнерами существует не только с мелового периода, более того, антибиотическая защита, обеспечиваемая бактериями. против болезнетворных микроорганизмов очень мало изменилось с тех пор, как оно появилось около 68 миллионов лет назад. Все изученные виды волков используют очень похожие смеси антибиотиков — в основном модификации только двух структур: стрептохлорина и пирицидина. «Мы ожидали, что некоторые симбионты волков разработали новые антибиотики, чтобы дополнить свой арсенал в ходе эволюции, чтобы помочь своим хозяевам бороться с новыми или устойчивыми плесневыми грибами», — сказал Тобиас Энгл из Университета Майнца, первый автор исследования.
Однако оригинальный коктейль с антибиотиками должен был быть настолько эффективным, что его не нужно было менять. С самого начала, возможно, особенно важным свойством было то, что смесь была эффективна против широкого спектра грибов, поскольку, как известно, ни у каких специализированных патогенов пчелиного волка не выработалась устойчивость к этим антибиотикам.Широкая защита, предлагаемая коктейлем антибиотиков против различных плесневых грибов, вероятно, связана с большим количеством веществ, продуцируемых бактериальными симбионтами. Поскольку большинство этих веществ можно проследить до одного кластера генов, ученые также изучили молекулярные причины разнообразия продуктов.
Они определили несколько ключевых этапов биосинтеза и обнаружили, что ферменты симбиотических Streptomyces работают менее избирательно, чем ферменты свободноживущих бактерий. Отсутствие специфичности позволяет ферментам связываться с различными химическими предшественниками, что является причиной большего количества продуктов. Кроме того, прямой конечный продукт биосинтеза пирицидина модифицируется множеством способов.
В результате получается множество антибиотиков, которые в различных количествах обнаруживаются у разных видов волков. Географическая структура относительных количеств отдельных веществ предполагает, что антибиотики позволяют волкам в определенной степени адаптироваться к местным сообществам плесени.Пчелиные волки и антибиотики, производимые их симбионтами, вероятно, подвергаются иному селективному давлению, чем люди.
Человеческие патогены получают огромное преимущество, становясь устойчивыми к обычным антибиотикам. Они могут эффективно использовать это преимущество, потому что они передаются от человека к человеку, а в нашем глобализированном мире — даже от страны к стране. Они легко распространяются в больницах, где много людей, часто с ослабленной иммунной системой, живут вместе в непосредственной близости. «В отличие от них, пчелы обычно встречаются небольшими популяциями и часто перемещаются, потому что строят норы на открытых песчаных грунтах», — сказал Мартин Кальтенпот, возглавлявший исследовательскую группу Макса Планка в Йене, пока не стал профессором эволюционной экологии в Майнце. в 2015 году, объяснил. «Следовательно, у устойчивых патогенов мало возможностей для распространения внутри или между популяциями».
Возможно, это причина того, что устойчивые микроорганизмы не специализируются на пчелах. Кажется наиболее важным для пчелиного волка иметь эффективную защиту от широкого и постоянно меняющегося спектра плесневых грибов.
Селективный процесс, который благоприятствовал активности широкого спектра, а не адаптации к специализированным патогенам, вероятно, повлиял на разработку коктейля антибиотиков и привел к тому, что он оставался в основном неизменным в течение миллионов лет.