Как стать хорошим микробом-симбионтом

В октябре 2010 года пожарный-доброволец Томас Фриц выносил спиленную яблоню, что росла за его домом в Эвансвилле, штат Индиана (США), как вдруг споткнулся и засадил в руку гигантскую занозу. Он промыл рану, но рука все равно воспалилась, так что пришлось обратиться к врачу. Тот прописал ему антибиотиков и отправил образец жидкости из раны в лабораторию при Университете Юты. Там провели анализ ДНК из образца и выявили присутствие в нем бактерии Sodalis.

По счастливому совпадению, в этом же университете работает британский микробиолог Колин Дейл, который когда-то и открыл этих самых бактерий. Он сильно засомневался в результатах анализа. Насколько ему было известно, представители вида Sodalis glossinidius, описанного им с коллегами в 1999 году, обитают исключительно в клетках насекомых и сильно зависят от хозяев, так как утратили значительную часть своих генов. Самостоятельно в чашке Петри, ране Фрица или на древе Познания они не выжили бы! Тем не менее ДНК ясно показывала, что это Sodalis. Дейл назвал новый штамм HS – human Sodalis, то есть «Sodalis человека». Позднее бактерия получила официальное имя – Sodalis praecaptivus, то есть «Sodalis до пленения».

Кукурузный долгоносик (Sitophilus zeamais) готов пленить содалиса. Фото: USDA Agricultural Research Service.

Это был свободноживущий Sodalis! Его геном значительно больше, чем у родственника, заточенного в клетку насекомого, и способен обеспечить ему вольный образ жизни. И у него есть необычное увлечение – заражать неловких людей. Через несколько лет после случая с Фрицем S. praecaptivus вновь попался Дейлу – на этот раз в образце из юноши, который еще мальчишкой взбирался на дерево и напоролся на сук. В отличие от Фрица мальчуган не воспалился, но спустя десять лет на месте давно зажившей раны внезапно возникла киста. Врачи вырезали ее и отправили в Университет Юты. А там Дейл.

Бактерия S. praecaptivus – это настоящий подарок ученым, которые исследуют симбиозы бактерий и эукариот. Она показывает, каким, возможно, был Sodalis миллионы лет назад, до того, как стал узником насекомых, когда он вольготно проводил время на природе и время от времени заражал беспечных животных. И позволяет представить, как и почему завязались его долгопрочные отношения с ними.

Вообще Sodalis удивительно хорош в деле проникновения в клетки насекомых. Инфекция может быть временной, как случается с клопами, долгоносиками и неловкими людьми (последние, правда, не являются насекомыми, будьте внимательны), либо вечной, как у цеце, цикад и цлей (точнее, тлей). Многие насекомые сами зависят от своих симбионтов: бактерии снабжают их необходимыми веществами, которые отсутствуют в их диете. В разных группах насекомых живут разные штаммы «плененных» Sodalis, которые передаются от матери к потомству. Такие заселения явно происходили неоднократно в эволюционной истории. И у Колина Дейла есть объяснение, почему инфекции Sodalis столь успешны.

Член его научной группы Синичиро Еномото попробовал удалять отдельные гены из ДНК S. praecaptivus, чтобы посмотреть, как это повлияет на его способности к колонизации кукурузных долгоносиков. Особенно впечатлил ученых ген ypeI, который контролирует чувство кворума – способность бактерий координировать действия в зависимости от их плотности и концентрации выделяемых сигнальных молекул. Типичный содалис заселяет долгоносика, не причиняя ему никакого вреда. Но если Еномото вводил жукам мутантные штаммы S. praecaptivus с нарушенным чувством кворума, то бактерии превращались в тихих убийц: долгоносики становились вялыми и уже через две недели полностью умирали!

Биологи показали, что у содалиса есть несколько летальных для насекомых генов: одни из них производят инсектициды, другие – ферменты, разрушающие хитин экзоскелета. При нормальной инфекции эти страшные гены деактивируются в результате кворума, то есть по достижении критической плотности бактериальной популяции. Но если отключить у бактерий ген ypeI – долгоносика ждет неминуемая кончина. «Содалис изо всех сил старается быть добрым гостем, но всего одна мутация отделяет его от того, чтобы стать плохим парнем», – говорит Дейл.

Нарядные долгоносики! В начале инфекции малочисленные бактерии Sodalis praecaptivus выделяют много токсинов (красные кружки), помогающих им колонизировать насекомое. Когда же концентрация сигнальных молекул (зеленые звездочки) становится достаточно высокой, возникает чувство кворума и бактерии прекращают выделять токсины. Так начинается мирное сосуществование.

Получается, что успех Sodalis как симбионтов определяется тем, что они тонко чувствуют, когда нужно остановиться. У них есть все средства, для того чтобы проникнуть в тело насекомого и начать там размножаться, но когда популяция становится достаточно большой, они вовремя отключают свои разрушительные способности, лишь бы не причинить хозяину вреда и зажить с ним в мире. Кроме того, они наверняка не одним чувством кворума руководствуются, а еще и умеют обходить иммунные хитрости хозяев, а может, даже задабривают их каким-нибудь благом. Все это, несомненно, повышает их шансы стать долговременными симбионтами.

Результаты исследования содалиса из кисты мальчика до сих пор не опубликованы. Зато дерево, на которое он взбирался, когда поранился, все еще стоит – в отличие от яблони Фрица. Колин Дейл давно хотел съездить к этому дереву и взять образец S. praecaptivus в естественной среде обитания, чтобы затем ввести его на месте в какое-нибудь попавшееся под руку насекомое и попытаться создать новый, искусственный симбиоз. Возможно, он уже осуществил эту затею, и даже, может быть, успешно. А может, он прямо сейчас сидит там на ветке, стараясь воткнуть бактерию в дрыгающегося муравьишку, и даже не замечает нацеленного на него сучка с целеустремленным содалисом, готовым в любой момент заселить неловкую ученую особь и сформировать с ней симбиоз, которого еще не знавала живая природа…


Текст: Виктор Ковылин. Научная статья: Cell Host & Microbe (Enomoto et al., 2017)

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вам понравилось его читать и вы хотите поделиться информацией с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем рады. С уважением, Батрахоспермум.

Вас также могут заинтересовать статьи:
Эндосимбиотическая матрешка червеца демонстрирует движуху
Из утробы плода выходят взрослые эпицефалы
Волосы продемонстрировали кворум


Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение