Разбираем мир микробиологии по кусочкам

Бактерии и Археи: развитие рука об руку.

Археи и бактерии жили на нашей планете с момента появления первых форм жизни. Их уникальные механизмы выживания позволили им колонизировать самые разнообразные среды обитания, такие как глубокие океаны, вершины гор, горячие источники, и холодные ледники. На удивление, эти микроорганизмы были найдены даже в облаках!

Скорее всего вы уже имеете представление о том, что такое бактерия. Вы знаете, что некоторые из них могут вызывать заболевания, а некоторые мирно обитают в кишечнике. Но, вполне возможно, что вы никогда не слышали об археях. Несмотря на их физическое сходство с бактериями (два микроорганизма просто невозможно отличить под микроскопом), археи демонстрируют колоссальный диапазон способностей. Они могут выжить в средах с очень высокой соленостью, и даже использовать метан для дыхания. Археи часто называют «экстремофилами».

ArАрхеи были впервые обнаружены в экстремальных средах обитания, таких как горячие вулканические источники. Источник::Wikicommons

В экстремальных природных условиях, где обитают археи, также проживают и некоторые виды бактерий-экстремофилов. Они могут существовать либо отдельно друг от друга, каждый потребляя свой ресурс, либо жить в синтрофии, то есть сотрудничать на уровне обмена питательными веществами для взаимной помощи. Эта синтрофия может принимать разные формы, но та, про которую я расскажу сегодня, весьма удивительна.

В этом исследовании, Симояма с коллегами изучили синтрофию между бактерией Pelotomaculum thermopropionicum (которая в сокращении будет назваться PT) и археоном Methanothermobacter thermautotrophicus (которая в сокращении будет называться MT).

Бактерия PT выживает за счет брожения питательных веществ. Подобно дрожжам, которые используются для производства пива или вина, бактерия вырабатывает энергию, превращая сахар в алкоголь в отсутствии кислорода. Архей МТ относится к метаногенам, то есть они используют углекислый газ (как мы используем кислород) для производства энергии и превращения ее в метан (также как мы превращаем кислород в углекислый газ).

В процессе брожения, PT производит углекислый газ, который напрямую используется MT для дыхания. Однко, такой феномен был обнаружен ранее между другими видами бактерий и археев в кислородной среде обитания. Что же делает этот случай особенным?

Бактерия может иметь один или несколько жгутиков. Источник: Wikicommons

Похоже, что PT прикрепляется к MT через…жгутик! Жгутики также присутствуют у сперматозоидов, которые используют их для движения к яйцеклетке. Многие виды бактерий используют один (или несколько) жгутиков для перемещения в своей среде.

Так почему же PT использует свой жгутик для совершенно другой цели? По-видимому, у жгутика есть две роли: первая – обеспечивать близость к МТ, а вторая – синхронизировать их метаболизм. Эта синхронизация необходима во время того, как PT ферментирует питательные вещества. Бактерия производит углекислый газ, который используется MT практически мгновенно. Откуда же тогда известно, что эта синтрофия не простое совпадение?

Как раз-таки этот вопрос и стал центром исследования команды Симоямы. Они проанализировали состав филаментов – белковых нитей, образованных PT и MT при совместном проживании. Было обнаружено, что эти нити состоят из флагеллина, который является основным белковым компонентом бактериального жгутика, как показано на рисунке.

Жгутик состоит из белка флагеллин, который в свою очередь состоит из нескольких белковых субъединиц (в этом примере, их 4). Источник: Johann Bauerfeind (2015), iGEM.org

Они обнаружили, что этот белок присоединяется не только к архею МТ, но и к другому виду архей, которые также известны своей синтрофией с РТ. Это означает, что эволюционный процесс «сформировал» жгутик PT таким образом, что он прикрепляется к MT и, тем самым, дает PT преимущество для выживания. Однако, такое строение дает преимущество и МТ. Группа Симоямы продемонстрировала, что процесс дыхания у MT становится более эффективным, если PT прикрепляется через жгутик. После прикрепления жгутика, некоторые гены в МТ повышают свою активность, и производство метана возрастает в разы. Это доказывает, что MT взаимодействует с флагеллином на жгутике PT, что и приводит к синтропии.

Такое взаимоотношение между бактерией и археей представляет собой пример того, что биологи называют “коэволюцией”. Эволюционный процесс «создал» белок флагеллин для жгутика PT для прикрепления к MT. Эволюция также «сформировала» гены MT, которые активируются только при присоединении флагеллина. Таким образом, выражение “работать рука об руку” прекрасно и очень точно описывает взаимосвязь между PT и MT в природе.

Примечание от MicroBites:

В этой статье мы обсудили тесную связь между бактериями и археями. Но кто такие археи? Археи напоминают бактерии, так как оба организма одноклеточные и без ядра. Оба относятся к прокариотам. Так в чем же разница между археями и бактериями?

Что ж, археи представляют собой один из доменов жизни. Как видно на изображении снизу, это филогенетическое дерево подразделяются еще на два домена: бактерии и эукариоты (клетки с ядром). Подобно бактериям, археи являются прокариотами, однако их клеточная мембрана отличается как от бактерий, так и от эукариотов. Их механизмы репликации ДНК и трансляции тесно связаны с теми, что найдены у эукариотов. Получается, что по некоторым характеристикам археи похожи на бактерии, а по другим – на эукариотов, но при этом обладают своими уникальными особенностями. Большинство архей обитают в экстремальных условиях (например, в условиях высокой температуры или высокой солености), но некоторые виды встречаются и в человеческом кишечнике.