Глава 3 . Генетика поведения бактерий.

3.1. Генетические основы социального поведения бактерий.

Обычно под поведением понимают реакции, проявляющиеся в движениях. Поведение бактерий, конечно, не может быть сложным и разнообразным. Но многие бактерии способны к направленному передвижению в соответствии с сигналами, поступающими из окружающей среды.

Имеется несколько принципиально различных типов движения бактерий. Наиболее распространено движение при помощи жгутиков: одиночных бактерий и бактериальных ассоциаций (роение). Частным случаем этого также является движение спирохет, которые извиваются благодаря аксиальным нитям, близким по строению к жгутикам, но расположенным в периплазме.

Другим типом движения является скольжение бактерий, не имеющих жгутиков, по поверхности твёрдых сред. Его механизм пока недостаточно изучен, предполагается участие в нём выделения слизи (проталкивание клетки) и находящихся в клеточной стенке фибриллярных нитей, вызывающих «бегущую волну» по поверхности клетки. Наконец, бактерии могут всплывать и погружаться в жидкости, меняя свою плотность, наполняя газами или опустошая аэросомы.

У бактерий можно изучать некоторых простейшие элементы поведенческих реакций, например, движение, обусловленное мерцанием жгутиков или ресничек. Бактерии отвечают на химическое раздражение движением по направлению к источнику раздражения (положительный хемотаксис) или, наоборот, от этого раздражителя (отрицательный хемотаксис). Эта их реакция обусловлена функционированием своеобразного молекулярного мотора, от которого зависят вращения жгутика, действующего наподобие пропеллера и направляющего движение бактерии.

Бактерии взаимодействуют друг с другом, как внутри одного вида, так и с представителями других видов. При этом они обмениваются сигнальными молекулами.

Хотя генетика микроорганизмов изучается достаточно активно (полностью расшифрованы геномы многих сотен микробов), генетические основы их поведения изучены гораздо хуже. Но, тем не менее, есть интересные результаты. Так, ученые из Института биологии развития им. Макса Планка (Тюбинген, Германия) на примере почвенной бактерии Myxococcus xanthus показали, что радикальные изменения коллективного поведения и межорганизменных взаимосвязей у бактерий могут происходить в результате весьма незначительных модификаций генома.

Myxococcus — типичный представитель миксобактерий, которым свойственно весьма сложное коллективное поведение. Например, они иногда собираются в большие скопления и устраивают коллективную «охоту» на других микробов. «Охотники» выделяют токсины, убивающие «добычу», а затем используют органические вещества, высвободившиеся при распаде погибших клеток.

Как и другие миксобактерии, Myxococcus при недостатке пищи образует плодовые тела, в которых часть бактерий превращается в споры. В виде спор микробы могут пережить неблагоприятные условия. Плодовое тело собирается из огромного множества индивидуальных бактериальных клеток. Создание такой крупной и сложной многоклеточной структуры требует совместных скоординированных действий миллионов отдельных бактерий, из которых лишь малая часть получает прямую выгоду, а все остальные, по сути дела, жертвуют собой ради общего блага. Но лишь очень немногие из участников коллективного действия смогут превратиться в споры и передать свои гены следующим поколениям. Все остальные выступают в роли «стройматериала», который погибнет, не оставив потомства.

Рис.3.1. Myxococcus — типичный представитель миксобактерий

Рис.3.2.Плодовые тела, образованные бактериями Myxococcus xanthus

Среди миксококков есть генетические линии (или штаммы), не способные к образованию собственных плодовых тел, но умеющие пристраиваться к «чужим» плодовым телам и образовывать там свои споры.

Один из таких штаммов (исследователи назвали его OC, от obligate cheater — «облигатный обманщик») не способен образовывать споры в монокультуре, однако, он успешно внедряется в чужие плодовые тела и спорулирует там даже с большей эффективностью, чем штамм-хозяин, построивший плодовое тело.

Ученые экспериментировали с этой системой «паразит—хозяин», выращивая смешанную культуру альтруистов и обманщиков попеременно то в «голодной», то в богатой питательными веществами среде и следя за колебаниями численности двух штаммов. Во время голодовок выжить могли только те бактерии, которым удалось превратиться в споры. В одном из опытов в штамме OC произошла мутация, в результате которой бактерии не только восстановили утраченную способность к самостоятельному (без «помощи» другого штамма) образованию плодовых тел и спор, но и получили дополнительное преимущество. По не вполне ясным причинам мутантные бактерии оказались защищены от «нахлебников» — представителей штамма ОС, своих прямых предков.

Возникший в результате мутации новый штамм получил условное название PX (от phoenix — «феникс»). Этот штамм появился и быстро размножился как раз тот момент, когда почти все бактерии в экспериментальной культуре (исходный «дикий» штамм и паразиты ОС) погибли. Штамм PX, как выяснилось, побеждает в конкурентном соревновании и «диких» миксококков, и паразитов ОС. Он не нуждается для образования плодовых тел в других штаммах и защищен от паразитизма.

Генетический анализ исследованных штаммов показал, что PX отличается от своего прямого предка OC единственной мутацией — заменой нуклеотида в некодирующей (вероятно, регуляторной) области гена фермента ацетилтрансферазы.

Всего в геноме миксококка более 30 генов различных ацетилтрансфераз (так называются ферменты, прикрепляющие к каким-либо молекулам ацетильную группу –CO–CH3), и конкретная функция той из них, ген которой изменился у штамма PX, неизвестна, но некоторые косвенные данные, однако, указывают на возможную регуляторную роль этого фермента. Не исключено, что он влияет на активность каких-то транскрипционных факторов — белков, регулирующих активность генов. Действительно, активность целого ряда генов у PX сильно изменилась по сравнению с OC.

Итак, ученым удалось зарегистрировать мутацию, в результате которой бактерии Myxococcus xanthus приобрели сразу два полезных свойства: способность к сложному коллективному поведению (образованию плодовых тел) и защищенность от паразитов. Мутация состояла в замене одного нуклеотида в регуляторной области гена, предположительно участвующего в регуляции активности других генов.

Группа ученых из Гарвардского университета в результате многолетних исследований выяснила генетическую основу сложного социального поведения Bacillus subtilis. Эти повсеместно распространенные почвенные бактерии относятся к числу наиболее хорошо изученных микроорганизмов, их геном полностью расшифрован в 1997 году. Размер генома — 4 214 630 пар оснований, общее число генов — 4225, и функции большинства генов в общих чертах известны.

Этого, однако, недостаточно, чтобы понять механизмы, управляющие сложным поведением этой бактерии. B. Subtilis умеет, например, при необходимости отращивать жгутики и приобретать подвижность, собираться в «стаи» (swarming behavior) и принимать решения на основе химических сигналов, получаемых от сородичей. При этом используется особое «чувство кворума» (quorum sensing) — нечто вроде химического голосования, когда определенное критическое число поданных сородичами химических «голосов» меняет поведение бактерий. B. subtilis способна собираться в многоклеточные агрегаты, по сложности своей структуры приближающиеся к многоклеточному организму.

Рис.3.3. «Плодовое тело» Bacillus subtilis — сложный многоклеточный агрегат, часто образуемый дикими бактериями в природе, и почти никогда — в лаборатории.

В критической ситуации (например, при длительном голодании) бактерии превращаются в споры, устойчивые к неблагоприятным воздействиям. Но превращение в спору для B. subtilis — процесс дорогостоящий, требующий активизации около 500 генов, и эта мера приберегается на самый крайний случай.

В качестве предпоследней меры в голодные времена B. subtilis прибегает к убийству своих сородичей и каннибализму. При голодании у B. subtilis срабатывает особый генный переключатель, который может находиться лишь в одном из двух дискретных состояний (включено/выключено). «Переключатель» состоит из ключевого гена-регулятора Spo0A и нескольких других генов, которые взаимно активируют друг друга по принципу положительной обратной связи.

Активизация Spo0A приводит к целому каскаду реакций, в том числе к производству клеткой токсина SdpC, убивающего тех бактерий, у которых «переключатель» выключен. Но голодание приводит к активизации Spo0A только у половины микробов. Погибшие клетки распадаются, высвободившиеся из них органические вещества используются убийцами. Если никаких перемен к лучшему так и не произойдет, они образуют споры.

Поначалу было неясно, почему токсин убивает только тех бактерий, которые его не выделяют (то есть тех, у кого Spo0A не активирован). Оказалось, что на мембране бактерий есть защитный белок SdpI, выполняющий сразу две функции. Во-первых, он защищает клетку от токсина SdpC (просто хватает молекулы токсина и держит, не дает им ничего делать). Во-вторых, молекула белка SdpI, схватившая молекулу токсина, изменяется таким образом, что другой ее конец (торчащий из внутренней стороны мембраны) хватает и удерживает молекулы белка SdpR, функция которого состоит в том, чтобы блокировать производство защитного белка SdpI.

Таким образом, схватывание защитным белком молекулы токсина приводит к инактивации белка, тормозящего производство защитного белка. То есть чем больше будет токсина, тем больше клетка будет производить защитного белка. А как только токсин в окружающей среде закончится, молекулы SdpR перестанут инактивироваться, и производство защитного белка остановится.

По молекулярно-биологическим меркам это — крайне простой регуляторный каскад. Так бактерии защищаются от собственного токсина. А бактерии с выключенным Spo0A оказываются незащищенными, потому что синтез спасительного SdpI у них блокируется еще одним белком — AbrB. Отключить AbrB можно только путем включения Spo0A, поэтому клетки с выключенным Spo0A обречены на гибель.