Гигантская Thiomargarita magnifica нарушает каноны устройства бактериальной клетки

Исследование микрофлоры, обитающей среди корней мангровых зарослей на Гваделупе (Карибские острова), привело к открытию крайне необычного вида бактерий, получившего название Thiomargarita magnifica (в дословном переводе с латыни — «великолепная серная жемчужина»). Вид относится к группе сероокисляющих гамма-протеобактерий. Первая особенность новооткрытого вида — небывалый размер: средняя длина клеток этих бактерий составляет около 1 см, а некоторые вырастают и до 2 см. Вторая — жизненный цикл. Клетки Thiomargarita magnifica одним своим концом крепятся к субстрату (им служат палые затонувшие листья мангровых деревьев), а другой конец растет, и после достижения клеткой некоторой длины на нем начинают формироваться сужения. С этого свободного конца отделяются небольшие дочерние «почки», которые свободно плавают, пока сами не прикрепятся к субстрату и не начнут расти. Третья важная особенность — то, что каждая клетка Thiomargarita magnifica содержит миллионы копий геномной ДНК, причем ДНК у них организована в особые компактные структуры, окруженные мембраной, внутри которых, судя по присутствию рибосом, происходят оба этапа считывания генетической информации: транскрипция и трансляция. Изучение генома Thiomargarita magnifica несет много интересной информации об особенностях биохимии, физиологии и эволюции этих бактерий.

Исследование биоразнообразия тропических регионов земного шара — благодарное дело: всегда есть достаточно высокий шанс натолкнуться на какую-то экзотику. И здесь как раз выпал такой вот случай.

В исследовании, о котором пойдет речь, приняли участие ученые из 10 исследовательских институтов (восьми американских и двух французских). Результаты работы пока не опубликованы в рецензируемом журнале, но доступны на сайте биологических препринтов Biorxiv. Ученые исследовали подводную биоту в прибрежной полосе острова Гваделупа, расположенного в Карибском море. Большая часть его побережья занята мангровыми зарослями. На затонувших палых листьях мангровых деревьев были замечены обрастания из очень тоненьких, но все же хорошо различимых невооруженным глазом белых ниточек длиной от нескольких мм до 20 мм — таких, как вы можете видеть на рис. 1. То, что эти ниточки представляют собой цельные бактериальные клетки, стало, конечно же большой неожиданностью. Но еще больше удивительного открылось в ходе последующей работы по исследованию разнообразных аспектов биологии новооткрытого вида бактерий.

Но обо всем по порядку.

Морфология, анатомия, физиология

Итак, размеры клеток обнаруженной учеными бактерии оказались рекордными для бактерий в целом как группы. Каждая такая клетка, имеющая вытянутую форму, одним своим концом закреплена на субстрате. Средний размер клеток вдоль длинной оси составил примерно 1 см (диапазон — от менее 1 мм до ~20 мм). Поперечное сечение этих клеток — окружность диаметром от нескольких десятков до примерно 150 мкм.

В центральной части клетки находится огромная вакуоль, заполненная водой с растворенными в ней ионами. Эта вакуоль занимает 75–85% от общего объема клетки. Клетка покрыта двумя липидными мембранами, в пространстве между которыми размещается клеточная стенка, построенная из пептидогликанов — это строение, типичное для всех грамотрицательных бактерий. Собственно цитоплазма, в которой локализуются все основные биохимические компоненты клетки и протекают основные биохимические процессы, распределена тонким слоем (толщиной около 3 микрометров, с небольшими отклонениями в разных участках) в пространстве между цитоплазматической мембраной и вакуолью. В цитоплазме обнаруживается большое количество гранул, которые отражают свет и придают бактерии белый цвет. Анализ показал, что эти гранулы состоят из молекулярной серы. На нити присутствуют разделенные промежутками сужения (пояски), которые становятся все более глубокими по мере приближения к верхнему концу бактерии. Однако внутреннее пространство вакуоли и цитоплазмы даже в этих местах остается непрерывным. Полное смыкание мембраны происходит с некоторой периодичностью лишь в области самого верхнего такого пояска — именно так от гигантской прикрепленной (материнской) клетки отпочковывается маленькая (длиной около 0,2 мм) дочерняя клетка, которая пассивно перемещается в воде до тех пор, пока не осядет и не прикрепится к подходящему субстрату, после чего сможет расти и со временем начать производить дочерние клетки (см. рис. 1 и рис. 3).

В подводной части среди сплетений корней мангровых деревьев формируется очень специфическая среда обитания. Там концентрируется большое количество мертвой органики — это и листовой опад, и тельца всей той живности, что в обилии населяет кроны мангровых деревьев. Густые сплетения корней препятствуют активному течению, так что вода здесь застаивается. Мертвая органика разлагается бактериями гниения, и в результате их жизнедеятельности накапливаются неорганические соединения серы и азота в высокой концентрации. Концентрация кислорода, напротив, снижена.

Сера представлена сульфидами и сероводородом — соединениями, в которых этот элемент находится в своей наиболее восстановленной форме S²⁻. На эти соединения в микромире имеется спрос. Существуют так называемые серобактерии, которые способны окислять восстановленную серу (до молекулярной серы S или до сульфатов SO₄²⁻) и использовать энергию такого окисления для синтеза АТФ. Молекулы АТФ далее используются клеткой в процессах синтеза органических соединений из неорганических (углекислого газа и воды). Бактерий, способных к такому типу метаболизма, называют хемолитоавтотрофами (chemolithoautotroph). В водах мангровых зарослей такие бактерии представлены большим числом видов. Большинство их (включая главного героя нашего повествования) относятся к группе гамма-протеобактерий, являющейся одной из ветвей в обширной кладе грамотрицательных бактерий.

По описанным выше чертам строения клетки новооткрытого вида бактерий весьма схожи с другим видом, долгое время удерживавшим за собой статус самых больших бактерий в мире. Этот вид был открыт в 1997 году в донном осадке морского побережья Намибии. В переводе с латыни его название Thiomargarita namibiensis означает «намибийская серная жемчужина». Клетки этих бактерий округлые, их средний диаметр составляет около 200 нм, но наиболее крупные достигают 750 мкм, так что они тоже видимы невооруженным глазом. Опять же, большую часть их объема занимает вакуоль, а в тонком периферическом слое цитоплазмы размещаются гранулы молекулярной серы. Именно эти гранулы, отражая свет, создают оптический эффект, благодаря которым клетки в ярком освещении микроскопа отливают разными цветами радуги подобно миниатюрным перламутровым жемчужинкам — что и послужило основанием дать бактерии такое изящное название.

Исследование физиологии T. namibiensis позволило установить, что она является типичной сероокисляющей бактерией с хемолитоавтотрофным метаболизмом. Окисление серы подразумевает перенос электронов с серы на акцепторное соединение — эту роль выполняют нитрат-ионы (NO₃⁻), которые при этом могут быть восстановлены до нитритов и далее до молекулярного азота. Для поддержания активного метаболизма требуется присутствие достаточно высокой концентрации серы и нитратов. Но в силу динамичности водной среды, концентрация этих компонентов в зоне обитания бактерий может существенно колебаться. Эта проблема решается созданием собственных запасов серы и нитратов внутри клетки. Эту роль как раз и выполняют гранулы серы в цитоплазме и вакуоль, где концентрируются нитрат-ионы. Вместе с тем, крупная вакуоль, заполненная концентрированным раствором соли, возможно, развилась изначально просто в качестве утяжелителя для бактериальных клеток, помогая им оставаться в придонной зоне и меньше сноситься течениями туда, где условия для их существования менее подходящие.

Сходство строения, равно как и метаболизма новооткрытой бактерии подсказывало, что ученые столкнулись с близкой родственницей T. namibiensis. Дальнейшее секвенирование генома и филогенетический анализ окончательно подтвердил эти догадки. Так что новооткрытая бактерия получила то же самое родовое название «серная жемчужина», ну а за необычайные особенности (размер, и не только) ее прозвали великолепной — так получилось имя Thiomargarita magnifica. Известен и еще один представитель этого рода, открытый в 2011 году в морских водах Коста Рики — T. nelsonii (B. E. Flood et al., 2016. Single-Cell (Meta-)Genomics of a Dimorphic Candidatus Thiomargarita nelsonii Reveals Genomic Plasticity). Как и в случае T. magnifica, бактерии этого вида являются прикрепляющимися удлиненными клетками, формирующими обильные обрастания на покровах донных морских беспозвоночных (к примеру, на раковинах моллюсков) в богатых сульфидами местообитаниях. Однако длина клеток T. nelsonii составляет в среднем «всего лишь» около 1 мм, так что им все еще далеко до масштабов «великолепной серной жемчужины».

Исходя из этого, ученые приходят к заключению, что внутри данных органелл происходят одновременно процессы как транскрипции (синтеза РНК на матрице геномной ДНК), так и трансляции (синтеза белка на матрице РНК). Подтверждением вышесказанному служат фотографии, приведенные на рис. 3 и 4. Для обозначения новых обнаруженных бактериальных структур ученые предложили использовать специально введенный термин «pepin» — от латинского слова pep (зерно) с уменьшительным суффиксом -in, то есть, буквально, «зернышко».
Содержимое генома Thiomargarita magnifica
Секвенирование и сборка генома бактерий были проведены для нескольких отдельных клеток. Авторы получили следующие данные. Размер генома оказался равен приблизительно 12 миллионам пар нуклеотидов. Этот геном вмещает в себя около 11 000 отдельных генов (рамок считывания), что больше, чем у всех прочих родственных бактерий и чем у подавляющего большинства изученных бактерий в принципе.
Среди всех генов необычно высокую долю (около 25%) составляют гены синтеза вторичных метаболитов — так называют синтезируемые клеткой вещества, которые нужны не столько для непосредственного контроля роста и размножения бактерии, сколько для адаптации к переменам условий среды и для вытеснения потенциальных конкурентов в зоне непосредственной близости. Агрессивность по отношению к возможным нежелательным соседям подтверждается также наличием большой группы генов, отвечающих за работу системы секреции VI типа. Эта система секреции — оружие, которое некоторые бактерии могут использовать, чтобы вводить токсины в клетки других бактерий, оказавшихся в роли нежеланных соседей. Механизм введения токсина похож на тот, что работает в шприце (похожим способом и бактериальные вирусы — фаги — вводят свою ДНК в бактерии). Собственно, гены системы секреции VI типа и есть, с эволюционной точки зрения, «прирученные» бактериями вирусные гены. Видимо, неспроста ученые не нашли у бактерий T. magnifica никаких симбионтов, хотя гигантским клеткам в целом формирование симбиозов весьма свойственно.
Все гигантские бактерии размножаются почкованием, а не делением на две эквивалентные клетки, поровну распределяющие между собой геномный материал материнской клетки. Эта особенность согласуется с тем фактом, что в геномах бактерий рода Thiomargarita оказались утрачены многие гены, задействованные в делении большинства обычных бактерий. С другой стороны, гены, отвечающие за рост клетки в длину, оказались у T. magnifica дуплицированы, что, опять же, вполне согласуется с фенотипом этого необычного организма.
Необычно большая доля генов у этого конкретного вида бактерий содержит киназные или каспазные домены, а также домен активации сульфатаз. Выполняют ли они роль регуляторов в генных сетях бактерии? Пока мы об этом ничего не знаем. Были выявлены дупликации и преобразования, а также утраты и в группах генов, обслуживающих метаболизм бактерий, в том числе, связанных с хемосинтезом. Огромное количество (десятки) генов, выявленных в геноме T. magnifica, входят в состав разнообразных систем токсин-антитоксин, функциональная роль которых для нашей T. magnifica пока не ясна. В совокупности все эти данные представляют богатый задел для дальнейших исследований специфики этого вида бактерий.
Как уже можно было понять из предшествующего рассказа, геном в клетках T. magnifica представлен большим числом копий. Это общая черта всех гигантских бактерий. Ведь по всему объему и по всей периферии клетки постоянно должны происходить множественные биохимические реакции, обеспечивающие синтез АТФ, рост клетки, отделение дочерних клеток, синтез первичных и вторичных метаболитов, и для всех этих реакций необходимы ферменты, закодированные в геноме. Диффузии молекул явно было бы недостаточно для своевременного попадания всех необходимых белков в нужные части огромной клетки. Так что полиплоидность для клеток-гигантов — единственно возможное решение.
Сколько же именно копий генома содержится в одной клетке T. magnifica? Ученые ответили на этот вопрос следующим образом. Клетки окрасили флуоресцентным красителем (DAPI) на ДНК и получили стереоизображения (такие, как на рис. 4, L). Специальная программа вычленила на этих изображениях отдельные глобулы и рассчитала для каждой объемные показатели. Допустив, что самые маленькие глобулы соответствуют одной полной хромосоме (одной копии генома), суммарное число хромосом вычислили, поделив суммарный объем всех таких глобул в клетке на размер наименьшей глобулы. Такие расчеты провели для некоторого числа клеток с разными линейными размерами. Оценка, конечно, получается очень грубая, но, по крайней мере, на уровне порядков вполне приемлемая. Число геномов, как выяснилось, изменяется прямо пропорционально линейному размеру клетки. На одну клетку среднего размера (длиной 1 см) приходится около полумиллиона копий полноразмерного генома. В дочернюю клетку, имеющую размер около 0,2 мм, соответственно, попадает порядка 10 000 копий.
Одной из особенностей генома T. magnifica оказалось присутствие большого количества «эгоистичных элементов» в виде интронов I и II типа, транспозонов, генов сайт-специфических рекомбиназ. Это не характерно для большинства бактерий, но, вместе с тем, это общая черта всех полиплоидных бактерий-гигантов (в частности, всех представителей рода Thiomargarita). Полиплоидность, вероятнее всего, как раз и служит непосредственной причиной этого явления — функционирование множественных копий генома в единичной клетке приводит к снижению эффективности отсеивающего отбора, который у большинства обычных гаплоидных бактерий строго ограничивает распространение таких элементов. Вышеупомянутые системы «токсин-антитоксин» вполне могли распространиться по этой же причине. Вместе с тем это не исключает возможности, что по крайней мере некоторые из таких «эгоистичных элементов» генома в конечном итоге «одомашнились» и выполняют какие-то важные для бактерии адаптивные функции.
Заключение
Микроскопические размеры клеток бактерий и архей объясняют наличием нескольких ограничений: 1) отсутствие активного внутриклеточного транспорта и, как следствие, зависимость от химической диффузии, которая эффективна только на расстояниях в пределах нескольких микрометров; 2) ограничения по количеству рибосом, которые клетка способна произвести в единицу времени и которые необходимы для синтеза достаточного количества строительных белков, поддерживающих рост и самообновление клетки определенного размера; 3) ограничения по количеству АТФ, который клетка способна произвести за определенное время и которого должно быть достаточно для энергообеспечения всех внутриклеточных процессов.
Ввиду того, что площадь мембран, которые служат местом формирования большей части АТФ, с увеличением линейного размера клетки возрастает медленнее, чем объем клетки, в котором протекают энергозатратные процессы, энергоэффективность по мере увеличения клетки снижается. Все эти схемы предполагают, что с увеличением размера метаболические потребности бактериальной клетки растут быстрее, чем способность клетки поддерживать их, что устанавливает критический предел роста.
Бактерия T. nelsonii имеет метаболически активный объем (без учета объема центральной вакуоли) равный 1,05×10⁻¹⁴ м³. Это близко к расчетному максимуму из-за ограничений по числу рибосом, равному 1,39×10⁻¹⁵ м³. У клетки T. magnifica длиной 4,7 мм измеренный биообъем цитоплазмы оказался на три порядка выше этого предела (5,91×10⁻¹² м³). Ученые предполагают, что преодоление вышеобозначенных ограничений стало возможным благодаря полиплоидизации, а также благодаря формированию системы дополнительных мембран во внутреннем пространстве клетки, наличие которых позволило решить вопросы энергоснабжения, структурирования цитоплазмы и эффективной транспортировки некоторых метаболитов в каждом отдельном участке гигантской клетки. С решением этой же задачи в принципе мог быть связан также и эволюционный тренд на увеличение клетки в длину. В сущности, речь идет о компартментализации, которая в целом более характерна для группы эукариот и считается их наиважнейшей эволюционной инновацией.
Бактерии, подобные T. magnifica, похоже, являют собой пример конвергенции, отражая способность природы неоднократно находить схожие эволюционные решения, иногда связанные даже с усложнением структурно-функциональной организации.
Отметим, что компартментализация в том или ином виде ранее обнаруживалась и у некоторых других представителей бактерий. Так, сложная система внутриклеточных мембран характерна для типа Planctomyceota (планктомицеты). У бактерий этой группы имеется даже центральный ДНК-содержащий компартмент (нуклеоид), окруженный двойной мембраной (которая, однако, в отличие от ядерной оболочки эукариот, не образует замкнутую сферу и не содержит структур, подобных ядерным порам). Имеются признаки наличия сложной внутриклеточной организации с разделением компартментов и у представителей типа Atribacteria (T. Katayama et al., 2020. Isolation of a member of the candidate phylum «Atribacteria’ reveals a unique cell membrane structure). Цианобактерии формируют в своей цитоплазме тилакоиды — складки мембраны, на которой локализованы комплексы белков фотосинтетического аппарата (см.: В. Галицкий, 2021. Как появились тилакоиды цианобактерий). В каждом из этих случаев усложнение структуры происходило, опять-таки, независимо, конвергентно.
Источник: elementy.ru

голоса
Рейтинг статьи