Разбираем мир микробиологии по кусочкам

“Биореакторы” бактериальных клеток

“Митохондрия отвечает за выработку энергии в клетке”

Скорее всего, это единственная фраза, которую вы запомнили из уроков биологии в старшей школе. Человеческие клетки обладают митохондриями, которые производят энергию, необходимую для того, чтобы просыпаться утром, идти на работу и жить своей жизнью. Только люди, растения, и животные имеют в своих клетках такие важные органеллы. Микробы, также известные как прокариоты, не имеют митохондрий. И большинство микробиологов скажут вам с уверенностью, что клетки микроорганизмов в принципе не имеют органелл. Однако, некоторые микробы все же обладают органеллами, которые, как и митохондрии, имеют решающее значение для их выживания.

Многие бактерии содержат специализированные органеллы под названием бактериальные микрокомпартменты (bacterial microcompartments или BMC). Эти органелло-подобные структуры не являются митохондриями, но по своим функциям напоминают митохондрии, действуя как электростанция.

По сути, бактериальные микрокомпартменты выполняют функцию микроскопического биореактора. Все химические реакции происходят внутри уникальной белковой оболочки. Во время биохимических реакций, протекающих в клетках, белки BMC собираются вокруг активных химических соединений и ферментов, создавая своего рода оболочку, которая сохраняет продукты реакции внутри этой оболочки. Такая изоляция определенных биохимических реакций защищает клетку от токсичных вторичных продуктов. Не все бактерии способны производить бактериальные микрокомпартменты, но те, что могут, часто полагаются на эти органеллы для выживания.

Схематическое изображение бактериальных микрокомпартментов в клетке бактерии. Эти микрокомпартменты создают оболочку, внутри которой происходят биохимические реакции. Изображение создано с помощью BioRender.

Одними из самых известных примеров бактериальных микрокомпартментов являются карбоксисомы, присутствующие в клетках фотосинтезирующих бактерий. Карбоксисомы используют углекислый газ из окружающей среды, и превращают его в энергию для жизнедеятельности бактерий. Но, дополнительные исследования показали, что бактериальные микрокомпартменты имеют самые разнообразные функции. Некоторые виды BMC могут использовать молекулы спирта или сахара для выработки энергии в клетках. Биологи обнаружили, что бактерии используют BMC для выживания в суровых природных условиях, а патогены, обладающие такими биореакторами, способны более эффективно атаковать потенциального хозяина, вызывая инфекции^,. Многие другие виды BMC были выявлены при помощи методов вычислительной биологии, но их биологические функции до сих пор остаются загадкой^1,2.

Почему стоит изучать бактериальные микрокомпартменты?

Ученые предполагают, что BMC можно найти в бактериях, обитающие в человеческом кишечнике. Некоторые бактерии здоровой микрофлоры кишечника используют определенные бактериальные микрокомпартменты для переработки питательных веществ кишечника в энергию^1,2. В частности, кишечные патогены и эффективность их выживаемости сильно зависят от присутствующих BMC^2,. Например, бактерия Salmonella enterica использует свои BMC для более успешной колонизации человеческого кишечника, при этом вызывая реакцию в виду внутреннего воспаления³. Наличие BMC дает S.enterica и другим патогенам преимущество, необходимое для выживания в неблагоприятных условиях.

*Действие бактериальных микрокомпартментов бактерии *Salmonella enterica*. Источник изображения: Jakobson *et al*. (2016).*

Еще многое предстоит узнать о бактериальных микрокомпартментах и их роли в бактериях. Изучение внутренней структуры и функций BMC имеет большой потенциал для важных открытий в сфере биотехнологии. На данный момент, исследователи обнаружили способ управления структурами BMC, а также изменения ферментов и молекул в капсуле ВМС^1,. Это открытие может позволить ученым проектировать BMC для разных целей, начиная от более эффективного производства биотоплива и заканчивая технологиями, связанные со здоровьем человека^1,4.

Хотя бактериальные микрокомпартменты не являются такими же продвинутым и сложным, как митохондрия, они выполняют функции, важные как для бактерий, так и для человека.

Link to the original post:

Kerfeld, C., Aussignargues, C., Zarzycki, J. et al. Bacterial microcompartments. Nat Rev Microbiol 16, 277–290 (2018). https://doi.org/10.1038/nrmicro.2018.10
Stewart, K. L., Stewart, A. M., Bobik, T. A. Prokaryotic organelles: Bacterial Microcompartments in E. coli and Salmonella. ASM EcoSal Plus 9(1) (2021). https://doi.org/10.1128/ecosalplus.ESP-0025-2019
Jakobson CM, Tullman-Ercek D. Dumpster Diving in the Gut: Bacterial Microcompartments as Part of a Host-Associated Lifestyle. PLoS Pathog 12(5), e1005558 (2016). https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005558
Frank, S., Lawrence, A. D., Prentice, M. B., Warren, M. J. Bacterial microcompartments moving into a synthetic biological world. Journ Biotech 163(2), 273-279 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2012.09.002