Разбираем мир микробиологии по кусочкам

Яд, который может отравить всех вокруг.

Эта история произошла на юго-востоке Соединенных Штатов, но такое могло случиться во многих других частях мира. Неожиданно, загадочная болезнь поразила хищных и водоплавающих птиц, обитающих вблизи от искусственных водоемов. Птицы начали резко сбавлять в весе, терять координацию движений, и даже падать при полете. Как стало известно, птицы заболели неврологическим заболеванием под названием вакуолярная миелопатия, которое приводило к их смерти. Возбудителем заболевания оказалась цианобактерияAetokthonos hydrillicola.

Так как же бактерия смогла поразить хищных птиц?

Немного истории

Эпидемия началась в середине 90-х годов, когда было обнаружено большое количество смертей среди белоголовых орланов. Водоплавающие птицы, такие как американские лысухи, кольчатые утки, кряквы, и канадские гуси, также оказались под влиянием болезни. Общим фактором для всех этих смертей являлась близость проживания птиц к искусственным водоемам (например, озерам, водохранилищам, фермерским прудам и т.д.). Во всех видах вышеперечисленных водоемов, Сьюзан Б. Уайлд и ее коллеги обнаружили присутствие экзотического водного растения Hydrilla verticillata, в листьях которого скрывалась бактерия!

Изображение 1: Цианобактерии (обозначены красным цветом) на листьях Hydrilla verticillata (Изображение взято из исследования Сьюзан Б. Уйалд)

Изображение 2: Aetokthonos hydrillicola, микроорганизм, способный умертвить орла! (Изображение взято из исследования Сьюзан Б. Уйалд)

Уайлд описывает эту бактерию-эпифит (организм, живущий на поверхности растения), как нового члена отдела цианобактерий, и назвала ее Aetokthonos hydrillicola (по-гречески: «Убийца орлов, обитающий на гидрилле») (Изображения 1, 2).

Удивительно, но бактерия Aetokthonos hydrillicola, выращенная в лаборатории, не могла вызвать такое же неврологическое заболевание у кур (Изображение 3).

Изображение 3: Бактерия Aetokthonos hydrillicola, выращенная в лаборатории, не вызывает заболевание у кур.

Как такой крохотный организм смог повлиять на большого хищника?

Цианобактерия – это тип бактерий, которая может превращать энергию света в химическую энергию, процесс также известный как фотосинтез. В дополнении к синтезу энергии, некоторые представители этого типа способны синтезировать широкий спектр токсинов. Брейнлингер и его коллеги предположили, что A.hydrillicola может производить ядовитые токсины только при определенных условиях среды (Избражение 4). Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи собрали образцы растений с бактериями A.hydrillicola в тем местах, где были подтверждены случаи вакуолярной миелинопатии. Они использовали метод AP-MALDI-MSI, который позволяет обнаруживать специфические для цианобактерий химические соединения (например, токсины, метаболиты, и т.д.).

Изображение 4: Гипотеза, что бактерия A.hydrillicola производит ядовитые токсины только при определенных условиях среды

Интересно заметить, что неизвестный метаболит был обнаружен только в образцах окружающей среды, но не в лабораторных культурах (Изображение 5).

Изображение 5: Структура молекулы с 5 атомами брома

Ученые предполагают, что этот метаболит содержит пять атомов брома. Стоит заметить, что питательная среда, использованная в лаборатории, не содержала атомов брома. Авторы допускают, что при отсутствии брома в питательной среде, бактерия A.hydrillicola не может синтезировать токсины. Чтобы проверить это, они добавили бромид калия (KBr) в питательную среду. Как и было задумано, это привело к биосинтезу токсина! (Изображение 6).

Изображение 6: (слева) A.hydrillicola не может синтезировать токсин в лабораторных условиях. (справа) При добавлении бромида калия, A.hydrillicola начинает синтезировать токсин

Однако, на данном этапе исследования, возникает новый вопрос: откуда в окружающей среде берется бромид? Брейнлингер заметил, что в искусственных водоемах водные растения H.verticillata содержат более высокий уровень брома, чем в осадочных породах (в 20 раз больше) или в воде (в 500–1000 раз больше). Оказалось, что поздней осенью, когда листья H.verticillata опадают, полный перегной этих листьев высвобождает бром в окружающую среду, где он сразу становится использованным бактериями для синтеза токсина.

Яд, который убивает не только орлов

Найденный токсин был назван AETX, что в переводе с греческого означает «яд, убивающий орла». Ученые обнаружили кластер генов у двух организмов A.hydrillicola, изолированных из разных водоемов. Этот кластер (от aetA до aetF) не был найден у других бактерий, что означает, что он является необходимым для синтеза токсина (Изображение 7).

Изображение 7: Кластер генов, обнаруженный у A.hydrillicola. Стрелки обозначают гены. Кластер генов – это группа генов, кодирующая белки, которые функционируют вместе, для того чтобы выполнять одну и ту же функцию (например, синтез токсинов)

Эксперименты с функциями кластера показали, что фермент триптофаназа (аetE) может изменять аминокислоту триптофан в индол, а галогеназы аetA и аetF могут служить для прикрепления иона брома к токсину (процесс, который называется бромирование). Чтобы проверить эту гипотезу, Брейнлингер и его коллеги провели эксперимент с добавлением аetF к аминокислоте триптофан. Результаты подтвердили, что произошло присоединение двух атомов брома к триптофану (Изображение 8).

Изображение 8: Этапы прикрепления атомов брома к триптофану с помощью аetF. Белок сначала добавляет один атом брома (изображение в середине), а затем второй атом (изображение справа).

Получается, что фермент аetF работает вместе с другими белками кластера, чтобы создать токсин AETX.

Затем, авторы изолировали полученный токсин, и протестировали его на животных, чтобы определить минимальную летальную дозу. Для червя Caenorhabditis elegans, эта доза составила 40 нМ, а для личинок рыбы-зебры Danio rerio – 275 нМ. Для того чтобы наглядно показать концентрацию этой дозы, представьте кусок сахара, растворенный в стакане воды. Этот раствор будет иметь концентрацию 292 000 000 нМ (как же мала, но действенна, доза этого токсина!). При введении рыбам-зебрам токсина, ученые отметили такое же расстройство поведения, как и у хищных птиц: потеря равновесия и другие неврологические дефекты.

Брейнлингер также взял биопробы у птиц. В исследовании цыплята употребляли 3 различных корма: корм с токсином AETX (Изображение 9, слева), корм с токсином AETX, в котором содержались H.verticillata – A.hydrillicola (Изображение 9, в центре), и корм с обычной водой (Изображение 9, справа). Ни в одной из птиц не было выявлено каких-либо клинических признаков заболевания. Однако, в белом веществе головного мозга цыплят, употреблявших корм с токсином AETX, наблюдались обширные появления вакуолей (полости, заполненные жидкостью), что подтвердило, что AETX является возбудителем заболевания.

Изображение 9: Цыплята получали корм с токсином AETX (слева), корм с токсином AETX и смесью организмов *H.verticillata* + *A.hydrillicola* в качестве положительного контроля (в центре), или корм с водой в качестве отрицательного контроля (справа). Только у цыплята, употреблявших корм с токсином AETX, была обнаружена вакуолизацию тканей мозга.

Пугающий вывод

Токсин AETX, синтезируемый цианобактериями, которые проживают на листьях растений в искусственных водоемах, может передаваться каждому члену пищевой цепочки, от травоядных водоплавающих птиц до хищных птиц. Для синтеза AETX необходим бромида / бром, который может иметь либо геологическое происхождение, либо быть продуктом человеческой деятельности (например, гербициды, используемые для уничтожения, по иронии судьбы, водных растений).

Эти исследования еще раз демонстрирует тот факт, что все живые организмы связаны между собой и с окружающей средой. Если что-то происходит с одним из организмов, это может коснуться и других (Изображение 10).