МИКРОБНЫЕ НАНОПАУЧКИ

Актуальные публикации по вопросам современной биологии. Биотехнологии.

NEW БИОЛОГИЯ


БИОЛОГИЯ: новые материалы (2024)

Меню для авторов

БИОЛОГИЯ: экспорт материалов
Скачать бесплатно! Научная работа на тему МИКРОБНЫЕ НАНОПАУЧКИ. Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-50). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement.

Полезные ссылки

BIBLIOTEKA.BY Беларусь - аэрофотосъемка HIT.BY! Звёздная жизнь


Автор(ы):
Публикатор:

Опубликовано в библиотеке: 2014-08-11
Источник: Наука в России, № 6, 2010, C. 4-8

Член-корреспондент РАН Александр БОРОНИН, доктор биологических наук Виталий ДУДА, кандидат биологических наук Наталья СУЗИНА, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН, Путинский государственный университет

Большинство видов обитающих на Земле микроорганизмов пока не выделены и не изучены, что свидетельствует о неполноте наших знаний о жизни планеты, резко ограничивает возможности человека в управлении биосферными процессами и сдерживает развитие биотехнологий. Поэтому особую значимость представляет полученная нами новая информация о хищных ультрамелких бактериях, использующих уникальный, ранее неизвестный в биологии механизм когезии - сближения и прочного сцепления клеток-паразитов и клеток-жертв.

В 2010 г., провозглашенном ООН Международным годом биоразнообразия, открыты десятки ранее неизвестных науке представителей микробного мира. Расширились наши представления о его роли в биосфере и участии микроорганизмов в синтезе полезных человеку соединений. Исследуя некоторые ультрамелкие (с объемом клеток < 0,3 мкм3) бактерии* в лаборатории цитологии микроорганизмов и биологии плазмид нашего института, мы обнаружили: среди них есть настоящие хищники, способные паразитировать на других видах гетеротрофных и фототрофных бактерий. Ведут они себя как эпибионты, т.е. существуют и развиваются, будучи прочно прикрепленными к клеткам-жертвам, предварительно пойманным в их "молекулярные сети", словно мошки в паутину.

КАК ПАРАЗИТИРУЮТ ПРОКАРИОТЫ

Бактерии и археи, атакующие и разрушающие живые прокариотические (не имеющие истинного ядра) клетки, специалисты считают паразитами, или хищниками, в отличие от тривиальных патогенных форм

* См.: А. Боронин, В. Дуда, Н. Сузина. Ультрамикробактерии. - Наука в России, 2007, N 5 (прим. ред.).
стр. 4

Ультратонкий срез клеток Kaistia sp. NF1. Пр - протрузии, НМ - наружная мембрана, П - периплазма, ЦМ - цитоплазматическая мембрана, Н - нуклеоид, М - слой муреина в клеточной стенке.

бактерий, поражающих эукариотные (обладающие истинным ядром) многоклеточные организмы.

Прокариотные хищники давно известны микробиологам. Еще в 1963 г. американские ученые Хейнц Штольп и Мортимер Стар описали облигатно паразитическую бактерию Bdellovibrio, способную развиваться внутри клеток и вызывать их разрушение у некоторых грамотрицательных* бактерий. В 1982 г. кандидат биологических наук Вероника Ламбина из нашего института с соавторами опубликовала статью о другой бактерии с аналогичной жизненной стратегией, ее отнесли к новому роду Micavibrio. Данная работа ныне стала классической. В том же году сотрудники лаборатории профессора Лестера Касиды (Пенсильванский университет, США) выделили из почв и описали двух необлигатных (факультативных) бактериальных паразитов из ранее неизвестных родов Ensifer и Cupriavidus. Крупным событием стало обнаружение в 2002 г. Харальдом Хабером с коллегами (Университет Регенсбурга, ФРГ) первого и пока единственного представителя облигатно паразитических архей** - его назвали Nanoarchaeum equitans.

Существенным дополнением, расширяющим картину разнообразия этих хищных микроорганизмов, стало выделение и описание в 2008 - 2010 гг. сотрудниками нашего института новых факультативно паразитических бактерий из родов Kaistia и Chryseobacterium.

Итак, в группу паразитов, атакующих живые клетки, не имеющие истинного ядра, в настоящее время входят различные по морфологии организмы: палочковидные, кокковидные формы, а также вибрионы. Филогенетически они неоднородны и не формируют единого корня, а являются представителями далеких друг от друга ветвей прокариот - от порядков до доменов. Они эволюционировали позже своих филогенетических сородичей (за исключением, возможно, наноархей Nanoarchaeum equitans).

Проведенный нами анализ показал: большинство таких хищников - ультрамелкие организмы, кроме представителей родов Ensifer u Cupriavidus. Объем клеток Micavibrio aeruginosavorus АРЛ13 (индексом здесь и

* Грамотрицательные бактерии, окрашенные анилиновыми красителями с фиксацией йодом, в силу биохимических особенностей их клеточной стенки обесцвечиваются при промывании спиртом в отличие от грамположительных бактерий (прим. авт.).

**Археи - одноклеточные прокариоты домена Archaea (верхнего уровня группировки организмов в системе научной классификации), на молекулярном уровне заметно отличающиеся как от бактерий, так и от эукариот (прим. авт.).
стр. 5

Ультрамикробактерия Chryseobacterium sp. NF4 (УМБ) атакует бациллу Bacillus subtilis (B). 1 - 20 мин, 2 - 12 ч, 3 - двое суток (видны уцелевшие клетки бациллы и недозревшие (темные) споры (C).

далее обозначены определенные штаммы той или иной бактерии) по нашим расчетам составляет всего 0,05 мкм3. Почти не уступает ей и Bdellovibrio bacteriovorus, чьи клетки (-0,13 мкм ) в 5 - 6 раз меньше, чем у ее жертв - например, у Escherichia coli. Столь же мизерными размерами обладают эпибионты Micavibrio, Kaistia NF1 и NF3, Chryseobacterium NF4 и NF5. К ультрамикроархеям можно отнести облигатного паразита Nanoarchaeum equitans.

При паразитических взаимодействиях контактного типа у всех этих организмов нет сложностей с размещением: хозяйская клетка может приютить и обеспечить размножение не одной, а сразу нескольких непрошеных гостей. К тому же мелкие хищники легче проникают в небольшие экологические ниши.

Важная отличительная особенность бактерий штаммов NF1, NF3 (род Kaistia) и NF4, NF5 (род Chryseobacterium), выделенных нами из различных природных местообитаний, - неподвижность их клеток, а также отсутствие у них жгутиков и фимбрий*. Эти структуры играют важную роль в процессах межклеточных взаимодействий, а в рассматриваемом случае могли бы помочь хищникам в поиске жертв и сближении с ними. Однако оказывается, можно обойтись и без них.

УЛЬТРАСТРУКТУРА ХИЩНЫХ КЛЕТОК

На ультратонких срезах клеток этих микроорганизмов видно, что строение их стенки соответствует грамотрицательному типу: присутствует наружная мембрана, периплазматическое пространство** и муреиновый слой***. Внутри хорошо заметен нуклеоид - светлая зона в центре, заполненная фибриллами ДНК. А вокруг каждой клетки локализована капсулоподобная структура в виде сети нитей и тяжей толщиной -5,5 - 6,0 нм и 18 - 35 нм с нанизанными на них гранулами диаметром -25 нм, отстоящими друг от друга на 50 - 300 нм. Все эти образования хорошо прокрашиваются неорганическим красителем рутениевым красным (т.е. комплексным аммиачным хлоридом рутения), что свидетельствует об их полисахаридной природе. У клеток штаммов NF1 и NF3 есть еще и округлые или конусовидные выросты. С помощью электронной микроскопии мы установили - это своеобразные присоски, прикрепляющие хищников к жертвам. То есть паразитирующие ультрамикробактерии образуют "молекулярную паутину" для ловли бактерий. Ну, чем не нанопаучки?

При прямой фазово-контрастной**** и флуоресцентной микроскопии хорошо видно: в жидких средах они "присасываются" к "добыче" очень быстро - в первые минуты после смешивания суспензий. Причем на одной клетке хозяина могут разместиться до 10, а иногда и более таких нанопаучков, часто покрывающих ее почти полностью. Было установлено: "агрессоры" "прилипают" к жертве очень прочно - так, что их не смыть токами растворов.

Некоторые из них осуществляют локальные колебательные движения на занятой ими поверхности, по-видимому, пребывая лишь на начальном этапе прикрепления к ней посредством экстрацеллюлярных

* Фимбрии (от лат. fimbria - бахрома) - длинные, тонкие микроворсинки, пронизывающие клеточную стенку и способствующие прикреплению бактерий к субстратам либо к другим клеткам (прим. авт.).

** Периплазма - компартмент клетки грамотрицательных бактерий, заключенный между цитоплазматической и внешней мембранами (прим. авт.).

*** Муреиновый слой - ригидный компонент клеточной стенки, состоящий из пептидогликана (муреина), выполняющий защитные и антигенные функции (прим. ред.).

**** Фазово-контрастная микроскопия - метод исследования, основанный на получении с помощью специальных приспособлений контрастного изображения различающихся по плотности структур бесцветных прозрачных микрообъектов, например живых микроорганизмов и тканевых культур (прим. ред.).
стр. 6

Молекулярные канаты ультрамикробактерии Kaistia sp. NF1, захватывающие клетки Acidovorax delafieldii, под электронным микроскопом. Н - полисахаридные нити-канаты, Г - липкие гранулы на нитях, НМ - наружная мембрана клетки-жертвы, КЖ - клетка-жертва.

(внеклеточных) полисахарндных нитей. Но в дальнейшем, при более плотном прилегании, они "замирают". На электронно-микроскопических снимках видно: жертвы окружены сетями, состоящими из отдельных нитей или пучков, отходящих от нанопаучков. Кроме того, к оболочкам атакуемых клеток прицепились глобулярные узелки "паутинок", чье количество растет по мере сближения хищника и его "добычи".

Ведущую роль на втором этапе когезии играют периплазматические конусовидные выступы-присоски паразитирующих микроорганизмов, заполненные гранулярным веществом с высокой электронной плотностью. Их наружная мембрана сходится с поверхностным слоем оболочки жертвы, вызывая ее деструктивные изменения в местах тесного контакта. То обстоятельство, что ультрамикробактерии "ловят" добычу очень быстро, хотя и не способны к активному движению, свидетельствует о существовании особого механизма сближения, "причаливания" и прочного скрепления клеток.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПАУТИНА

Полученные экспериментальные данные позволяют схематически представить этот механизм. На самом раннем этапе взаимодействия благодаря токам жидкости в питательной среде и броуновскому движению клетки сближаются на такое расстояние, когда дистальные концы полисахарндных нитей, исходящих от паразита, касаются поверхности жертвы.

Затем к внешнему слою ее оболочки прикрепляются находящиеся на этих концах узелки - липкие глобулярные частицы. Так происходит захват добычи нанопаучком. На данной стадии паразитарные клетки и осуществляют локальные маятниковые колебания вблизи от занятой ими поверхности, хорошо заметные под флюоресцентным и фазово-контрастным микроскопами.

Сближение продолжается: к оболочке жертвы прилипают все новые гранулы, расположенные уже у основания "паутинок", совсем близко к поверхности нанопаучков, колебания которых на этой стадии слабо заметны или совсем не выявляются. На конечном этапе адгезии пары нападающих и подвергшихся атаке клеток "стягиваются" (прочное скрепление) и, как показали электронно-микроскопические наблюдения, между внешними слоями их мембран устанавливается тесный контакт (впоследствии приводящий к гибели жертвы). Данная связь, по-видимому, в значительной степени реализуется за счет углевод-углеводных взаимодействий, выполняющих важную роль в процессах межклеточного "узнавания". Об этом свидетельствуют и ранее полученные нами данные о паразитировании ультрамикробактерии на цианобактериях. Возможны аналогичные взаимоотношения нанопаучков и с гетеротрофными бактериями Bacillus subtilis, Acidovorax delafieldii, так как оболочка последних обладает так называемым С-слоем, состоящим из упорядочение расположенных субъединиц белка.
стр. 7

Схематическое изображение механизма ловли, притягивания и слипания (когезии) клетки-паразита (П) и клетки-жертвы (Ж). КС - клеточная стенка; Г - липкие гранулы; ПН - полисахаридные нити, С - гликопротеиновый слой на клеточной стенке, УМБ - клетка паразитирующей ультрамикробактерии.

Итак, мы выяснили: бактериальные паразиты из родов Kaistia и Chryseobacterium имеют особые адгезивные структуры и применяют оригинальный механизм улавливания жертв. Их последующий симбиоз реализуется по типу эпибиоза - хищные ультрамикробактерии прочно прицепляются к поверхности атакуемых ими клеток для дальнейшего совместного существования. Не обладая жгутиками и активной подвижностью, они используют энергию броуновского движения для сближения с "добычей". В нужный момент липкие гранулы их нитей-паутинок последовательно прикрепляются к облюбованной поверхности, обеспечивая тесный контакт и последующее слипание оболочек взаимодействующих организмов. Эти нанопаучки с диаметром клеток 180 - 400 нм и объемом 0,004 - 0,1 мкм3 "плетут" сети, отличающиеся от настоящих паутин тем, что нити в них представляют собой полисахаридные молекулы и функционируют как канаты, подтягивающие клетки друг к другу.

Совершенство впервые открытого и описанного здесь механизма когезии заключается в использовании ультрамикробактериями неисчерпаемой энергии броуновского движения. Им не нужен большой комплекс генов, обеспечивающих синтез, сборку локомоторных (опорно-двигательных), прикрепительных структур и управления их активностью. С этим, а также с низким метаболическим потенциалом, очевидно, и связан малый размер генома (-1,7 Mb) у Chryseobacterium sp. NF4.

Существование в прикрепленном состоянии (эпибиоз) очень выгодно, ибо адсорбированные клетки находятся в "эпицентре" литической активности хозяйских клеток (растворения ею субстрата) и концентрации выделяемых ими метаболитов, переходящих затем в окружающую среду. Однако какие конкретно вещества "высасывают" хищники из жертвы, пока не ясно. Скорее всего, это аминокислоты и пептиды, поскольку лишь на таком питании паразиты растут автономно. Выяснение данного вопроса - предмет ближайших исследований. Очевидно лишь, что нанопаучки используют свою "добычу" экономно, их стратегия состоит в максимально продолжительной эксплуатации попавшей в сети "мошки".

Облепленные паразитами, атакованные микроорганизмы живут довольно долго - до нескольких суток - и остаются зелеными при окрашивании флюоресцентными красителями (так специалисты выявляют мертвые особи). Примечательно, что если, скажем, жертвой стала бацилла, у нее сильно задерживается или вообще не происходит спорообразование - ведь тогда значительная часть питательных веществ и энергии ушла бы на построение спор, а материнские клетки прекратили метаболизм и были бы обречены на отмирание. Разумеется, это "не входит в планы" нанопаучков, нуждающихся в постоянном притоке органических соединений.

Пока неизвестно, из какого вещества состоят липкие гранулы, локализованные на полисахаридных нитях "паутины". Между тем определение природы этого "биологического клея" имеет важное познавательное и, возможно, практическое значение.

Заслуживает внимания и изучение возможности использования хищных ультрамикробактерии для снижения численности нежелательных микроорганизмов в различных экотопах.

Исследования проведены при поддержке Аналитической ведомственной программы "Развитие научного потенциала высшей школы", грант N 2.1.1/1187.

Новые статьи на library.by:
БИОЛОГИЯ:
Комментируем публикацию: МИКРОБНЫЕ НАНОПАУЧКИ

© Александр БОРОНИН, Виталий ДУДА, Наталья СУЗИНА () Источник: Наука в России, № 6, 2010, C. 4-8

Искать похожие?

LIBRARY.BY+ЛибмонстрЯндексGoogle
подняться наверх ↑

ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!

подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ?

БИОЛОГИЯ НА LIBRARY.BY

Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.