3.2. Генетика хемотаксиса у бактерий.
Бактерии способны реагировать не на любые химические соединения, но только на определенные химические соединения и различные для разных бактерий. Такие вещества называют хемоэффекторами.
Среди эффекторов есть вещества, привлекающие бактерий, - аттрактанты, и вещества, их отпугивающие, - репелленты.
В поверхностных структурах бактериальной клетки есть специальные белковые молекулы - рецепторы, специфически соединяющиеся с определенным эффектором. При этом взаимодействии молекула эффектора не изменяется, а в молекуле рецептора происходят конформационные и другие изменения.
У большинства бактерий есть рецепторы, воспринимающие молекулярный кислород, протоны, у многих есть рецепторы, воспринимающие аминокислоты, сахара. Так, например, кишечная палочка - Escherichia coli - имеет около 20 различных типов рецепторов. Клетка кишечной палочки содержит около 25 тыс. рецепторных молекул.
Благодаря этим рецепторам бактерии обладают хемотаксисом.
Хемотаксис – это свойство организмов перемещаться к определенным химическим веществам (аттрактанты) и удаляться от других (репелленты).
Подвижных бактерий привлекает множество химических веществ. Хеморецепторы чувствительны к специфическим химическим веществам, которые не вырабатываются организмом бактерии.
Получены десятки мутантных клонов Escherichia coli (Рис.3.4) , у которых отсутствует положительный хемотаксис ко многим веществам (например, сахарам, аминокислотам и кислороду), привлекающим Е. coli дикого типа, даже, несмотря на то, что мутантные бактерии полностью сохраняли подвижность и обладали полным набором нормальных жгутиков. Мутанты реагируют на все обычные раздражители, кроме особых аттрактантов, способность отвечать на которые у них утрачена.
Рис.3.4. Микрофотография Escherichia coli
Для сильных аттрактантов — сахаров (N-ацетилгдюкозамина, фруктозы, галактозы, глюкозы, мальтозы, маннитола, рибозы, сорбитола и трегалозы) описано девять хеморецепторов. Два предназначены для обнаружения аминокислот (аспартата и серина).
На генетической карте Е. coli были локализованы гены подвижности и хемотаксиса, включающие такие локусы:
curly (он связан с повреждением белка жгутиков и с изменением их движений, так что возможны только вращательные движения);
motile (жгутики нормальны на вид, но не могут двигаться);
flagella (отсутствие жгутиков, неподвижность);
chemotaxix (хемотаксис отсутствует при сохранении подвижности; локус включает три гена).
У E. сoli хемотаксис можно пронаблюдать, если вставить капиллярную трубу, заполненную аттрактантом, или репеллентом, в пробирку, содержащую бактериальные клетки в жидкой агаризованной среде (Рис. 3.4).
Если капилляр содержит нейтральный химикат, который ни привлекает, ни отвращает, бактериальные клетки безразличны к нему и остаются однородно рассеянными повсюду в среде (A).
Если капилляр содержит аттрактант, движение клеток направленно к устью (входному отверстию) капилляра, и, в конечном счете, клетки в него проникают (Б).
Если капилляр содержит репеллент, клетки отплывают от него (В).
Рис.3.4. Хемотаксис у E. сoli в жидкой агаризованной среде в присутствии химических соединений нейтрального действия (А), аттрактивного действия (Б) и репеллентного действия (В).
Большинство аттрактантов – питательные вещества, такие как сахар и аминокислоты, тогда как большинство репеллентов – вредные вещества или продукты выделения, например, кислоты или спирты. Следовательно, ответ хемотаксиса важен для бактериальных клеток, поскольку обеспечивает их перемещение в среду с благоприятными условиями или удаление от вредных условий.
В отсутствии аттрактантов или репеллентов, клетки движутся хаотично. В присутствии аттрактанта периоды продвижения по направлению к нему становятся более продолжительными, а периоды перемещения в другом направлении – более редкими и короткими, т.е. в целом траектория движения клеток направлена к источнику аттрактанта. Действие репеллентов противоположно, и, следовательно, клетки постепенно рассеиваются от их источника.
Выявление мутаций, затрагивающих хемотаксис у бактерий, позволило установить генетические компоненты данного типа ответа.
Фенотипы мутаций хемотаксиса подразделяют на пять категорий:
1. «Специфическое отсутствие хемотаксиса» означает, что клетки мутанта не проявляют ответ на специфический аттрактант или репеллент. Например, галактоза - аттрактант. Фенотип мутанта, который не в состоянии отвечать положительным хемотаксисом на галактозу, что и отличает его от бактерий дикого типа, демонстрирует «отсутствие хемотаксиса, специфичное для галактозы». Следствием мутации в другом гене является фенотип специфического отсутствия положительного хемотаксиса к глюкозе.
2. «Множественное отсутствие хемотаксиса» относится к фенотипам не способным проявлять ответ хемотаксиса на группу химически несвязанных веществ. Например, мутации в гене tsr приводят к неспособности мутантов отвечать на присутствие аттрактанта – аминокислоты серин или репеллентов – индола, лейцина и ацетата. Мутанты c множественным отсутствием хемотаксиса образуют четыре группы комплементации, соответственно которым определяют четыре гена – tsr, tar, trg, и tap.
3. Общее отсутствие хемотаксиса – это неспособность отвечать на какой бы то ни было аттрактант или реппеллент. Не смотря на то, что у таких мутантов есть нормальные жгутики, так же как аппарат, необходимый для того, чтобы переключить направление их вращение, они не способны управлять вращением жгутиков в ответ на аттрактанты или репелленты. Мутации общего отсутствия хемотаксиса могут быть объединены в шесть групп комплементации в зависимости от гена, который является существенным для любого вида хемотаксиса: cheA, cheB, cheR, cheW, cheY, и cheZ.
4. Мутации в моторных компонентах жгутиков вызывают отсутствие хемотаксиса из-за дефектов в аппарате, который управляет переключением между направлениями вращения жгутиков. Эти мутанты либо непрерывно движутся (плывут), либо непрерывно «падают», в зависимости от специфического типа мутации. С помощью генетического анализа мутаций в моторных компонентах были установлены три гена, необходимые для того, чтобы бактериальная клетка была способна переключаться между «плаванием» и «падением»: fliG, fliM, и fliN.
5. Неподвижные мутанты – это мутанты, которые неспособны ни «плавать», ни «падать», т.е. они неподвижны. Мутации неподвижности включают большое количество различных генов, которые необходимы для синтеза или работы жгутиков.
Анализ мутаций был важен для понимания процесса хемотаксиса у бактерий. Например, корреляция между направлением вращения жгутиков и состоянием «плаванья» или «падения» клеток была установлена при наблюдении за двумя типами мутаций в моторных компонентах жгутиков.
Все гены, задействованные в хемотаксисе, были клонированы и секвенированы, и их генные продукты были идентифицированы.
Хемотаксис бактерий дикого типа требует наличия ряда белков, так называемых хемосенсоров, каждый из которых связывается с определённым аттрактантом или репеллентом. В качестве примеров хемосенсоров можно привести галактоза-связывающий белок и переносчик глюкозы.
Известно более чем 20 различных хемосенсорных белков; около половины из них связываются с аттрактантами, а другая половина – с репеллентами. Мутации в генах, кодирующих хемосенсорные белки, приводят к отсутствию хемотаксиса.
Приспособительное значение хемотаксиса доказано экспериментально. Например, формы холерного вибриона с нарушенным хемотаксисом оказываются менее болезнетворными (вирулентными), чем исходные. За счет хемотаксиса к корешкам растений приближаются симбиотические или паразитические бактерии, корневые выделения иногда воспринимаются ими с расстояния до 10 см (огромное для бактерии расстояние).
Кроме хемотаксиса бактерии могут проявлять и другие поведенческие реакции:
фототаксис, характерный для бактерий, использующих свет в качестве источника энергии;
вискозитаксис, при котором бактерии стремятся в среду с большей вязкостью (характерен для некоторых патогенных бактерий);
термотаксис - движение в сторону повышения или понижения температуры;
магнетотаксис - способность некоторых бактерий плыть вдоль линий магнитного поля (в клетках таких бактерий, называемых магнетобактериями, находятся кристаллики железосодержащих минералов (например, магнетита), ориентирующиеся вдоль линий магнитного поля как стрелка компаса)
Новое необычное «электрическое» поведение бактерий Shewanella oneidensis обнаружили американские биологи. Оказалось, что S. oneidensis очень любят металлические частицы, подплывают к ним, садятся на них, снова «сбегают», активно передвигаются вблизи объекта, опять садятся. При замедленной съемке обнаружилось, что каждый раз при приближении к металлическим частицам микроорганизмы начинали активно двигаться. Бактерии демонстрировали подобное поведение и вблизи электрода батареи. При этом, как только электрод переставал работать, активное плавание прекращалось.
Рис.3.4.а. Бактерий Shewanella oneidensis
Такое поведение бактерий получило название электрокинеза (electrokinesis). Вероятно, бактерии во время контакта с металлом собирали посредством химической реакции энергию, затем несколько минут активно передвигались и снова садились для «подзарядки».
К сожалению, генетические основы многих поведенческих реакций бактерий изучены пока недостаточно.