Максим Руссо: «Чувство локтя» у бактерий

Максим Руссо Колония бактерий Paenibacillus vortex Wikimedia Commons

На этой неделе были названы имена лауреатов премии Шао 2015 года. Учрежденная гонконгским предпринимателем и филантропом Шао Ифу (1907 – 2014) премия присуждается с 2004 года за достижения в области астрономии, наук о жизни и математики. Семеро лауреатов премии Шао впоследствии получили Нобелевскую премию. Определяющий лауреатов фонд (The Shaw Prize Foundation) формирует три комитета для выбора кандидатов в каждой из областей. Затем окончательное решение о присуждении каждой премии принимается Советом фонда. Имена награжденных становятся известны в начале лета, а торжественная церемония происходит в конце сентября в Гонконге.

В этом году премию в области наук о жизни получили американские молекулярные биологи Бонни Басслер и Эверетт Питер Гринберг «за открытие "чувства кворума" – способности бактерий общаться и координировать поведение друг с другом, что предлагает новые пути борьбы с бактериальными патогенами и модуляции микробиома для медицинских целей».

Долгое время ученые не предполагали, что такие существа, как бактерии, способны как-то общаться между собой и координировать общие действия. Чувство кворума (quorum sensing) позволяет им добиваться этого. Механизм этого явления заключается в том, что при помощи выделяемых во внешнюю среду веществ бактерии могут определять, насколько много их сородичей находится неподалеку. Когда бактерий оказывается достаточно много, концентрация сигнального вещества возрастает, и в результате все бактерии одновременно определенным образом изменяют свое поведение. На молекулярном уровне это обеспечивается тем, что при достижении пороговой концентрации сигнального вещества у бактерий значительно возрастает активность определенного гена. Этот, казалось бы, простой принцип позволяет бактериям реагировать на изменения внешних условий не как отдельным существам, а подобно клеткам единого организма. Чувство кворума позволяет бактериям пережить нехватку питательных веществ, противостоять бактериям-конкурентам и опасным токсинам. Патогенные бактерии координируют свои усилия при заражении организма-хозяина, чтобы противостоять его иммунной системе.

Иногда в более широком смысле термин «чувство кворума» применяют к описанию поведения других организмов: насекомых или даже позвоночных. Или даже пытаются создать обладающих такой способностью роботов. Схема остается такой же: при достижении определенной плотности коллектива, поведение его членов скоординировано меняется.

Широко известно, например, что из личинок саранчи могут развиться оседлая или перелетная форма этого насекомого в зависимости от того, много или мало таких личинок находится в данном месте. Также чувство кворума, обеспеченное визуальной коммуникацией, играет роль в жизни колоний общественных насекомых. Каждый пчеловод знает, что, когда население улья становится слишком большим, следует ожидать роение. В улье появится новая матка, а часть пчел вместе со старой маткой его покинет, чтобы поселиться на новом месте. Рой вылетевших из улья пчел усаживается где-нибудь на дереве или на выступе здания, а пчелы-разведчики начинают искать хорошее место для нового дома. На пасеке, как правило, в этот момент подбегает пчеловод, сметает весь рой в специальный мешок и относит его в заранее заготовленный пустой улей. Если же пчелы должны сами принять решение, это происходит так. Пчелы, нашедшие подходящую для поселения полость (пещерку в горах, нишу в здании, пространство под досками крыши), возвращаются туда, где расположился рой, и начинают при помощи пчелиного танца, приспособленного для указания направления, агитировать других пчел лететь именно туда. Часть пчел «поддается агитации» и посещает выбранное место. Вернувшись, все они снова выполняют танец, пока наконец их число не достигнет пороговой величины и весь рой не снимется с места и не отправится на новое жительство. Эксперименты показали, что таким способом пчелиный рой оказывается способным выбрать лучшее новое гнездо из четырех – пяти предложенных. Сходным образом определяют место для нового муравейника в случае разрушения старого муравьи вида Temnothorax albipennis.

В одном исследовании 2006 года было обнаружено чувство кворума у атлантической сельди, которое помогает рыбам каждый вечер в течение периода размножения собираться в крупные косяки и отправляться на нерест на мелководье. Поведение рыб меняется при достижении определенной плотности – 0,2 сельди на квадратный метр. Когда это происходит, сельди начинают ускоренно плыть друг к другу, образуя многомиллионную стаю. После метания икры, сельди возвращаются на глубину и вновь до следующего вечера плавают поодиночке.

Но мы вернемся к чувству кворума у бактерий. Именно у этих существ оно было впервые обнаружено и у них оно наиболее изучено. Коммуникация у бактерий, напомним, химическая, изменения в поведении достигаются при реакции на концентрацию определенного вещества. Одно из первых исследований чувства кворума было сделано на бактериях Aliivibrio fischeri. Это способные к люминесценции морские бактерии, который могут жить свободно в воде, а могут обитать в организме кальмара (Euprymna scolopes). Живущие отдельно бактерии не светятся, если же они обитают в определенных органах кальмара – фотофорах, они начинают светиться. «Фонарик» кальмара находится в его мантийной полости, там созданы особо благоприятные условия для жизни бактерий. Так как бактерий там скапливается много в маленьком объеме, возрастает концентрация выделяемого ими вещества (ацил-гомосерин-лактона, AHL). Рецепторы бактерий реагируют на возросшую концентрацию AHL, активизируется ген, который кодирует фермент люциферазу, и бактерии начинают светиться.

Некоторое время считали, что чувство кворума на основе AHL свойственно только морским люминесцирующим бактериями. Однако в 1990-е годы выяснилось, что оно распространено куда шире. Например, открыли, что это же вещество заставляет поражающую растения бактерию Pectobacterium carotovorum синтезировать антибиотик, который помогает ей подавлять конкурирующих бактерий. Также при достижении достаточной плотности эти бактерии начинают выделять ферменты (пектиназы и целлюлазы), которые нужны для разрушения клеточных стенок растений. Бактерия, известная под названием синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) также использует AHL. Когда синегнойных палочек становится достаточно много, они начинают выделять эластазу, которая делает проницаемым эпителий человека, нарушая соединения между клетками, а также разрушает вещества, ответственные за иммунный ответ. В результате у пациента развивает трудно излечиваемая инфекция. В этих случаях бактерии палочки напоминают злодеев, которые договариваются напасть на жертву, только когда их соберется достаточно много.

Конечно, у бактерий есть и другие вещества, обеспечивающие чувство кворума. Например, автоиндуктор-2 (autoinducer-2, AI-2). Его используют около 30 видов бактерий, в том числе, например, кишечная палочка. У некоторых бактерий роль сигнальных веществ исполняют биогенные амины, вещества, которые у многоклеточных животных выступают как гормоны и нейромедиаторы. Вполне возможно, что при возникновении многоклеточных организмов взаимодействие между отдельными клетками начали обеспечивать те же механизмы, что отвечали за чувство кворума у их одноклеточных предков.

Понимание механизмов, ответственных за чувство кворума у патогенных бактерий, позволяет людям изобрести новые методы борьбы с болезнями, например, найдя способ разрушить сигнальное вещество и предотвратить активизацию бактерий. Впрочем, в природе эти методы были изобретены гораздо раньше. Обнаружилось, например, что австралийская водоросль Delisea pulchra борется с поселяющимися на ее поверхности колониями бактерий Serratia liquefaciens, выделяя вещество, которое препятствует чувству кворума.

Смотрите также: Александра Брутер Как бактерия распознает чужих Лекарство IX века уничтожает устойчивых к антибиотикам бактерий Александра Брутер Новый антибиотик против устойчивых бактерий Грибы неоднократно заимствовали бактериальные гены