Генерация физических полей




Кворум

Понятие «ощущение кворума» (Quorum Sensing) было предложено в 1994 году. Оно означает восприятие клетками изменений среды, которые наступают при достижении бактериальной культурой некоторой пороговой численности, и реакцию на эти изменения.

  • Биолюминисценция у морских бактерий (Vibrio fischeri, V. harveyi).
  • Агрегация клеток миксобактерий и последующее формирование плодовых тел со спорами
  • Конъюгация с переносом плазмид у Enterococcus faecalis и родственных видов, а также у клубеньковых бактерий рода Agrobacterium
  • Синтез экзоферментов и других факторов вирулентности у растительных (Erwinia carotovora, E. hyacinthii и др.) и животных (Pseudomonas aeruginosa) патогенов.
  • Образование антибиотиков у представителей рода Streptomyces и у Erwinia carotovora
  • Споруляция у бацилл и актиномицетов
  • Стимуляция роста стрептококков и ряда других микроорганизмов

Раскрыты механизмы многих из указанных процессов; определены факторы межклеточной коммуникации, отвечающие за плотностно-зависимые процессы. Здесь необходимо сказать несколько слов о биокоммуникации в целом (предмет особой биологической науки под названием биосемиотика). Среди изучаемых данной наукой каналов коммуникации между живыми организмами, три канала коммуникации являются наиболее эволюционно-консервативными и в полной мере функционируют уже у одноклеточных форм жизни. Речь идёт о передаче информации путём 1) непосредственного (физического) контакта между организмами; 2) выработки диффундирующих в среде химических агентов; 3) генерации тех или иных физических полей. Все три канала коммуникации, вероятно, принимают участие в "эффектах кворума".

Физический контакт между организмами. Некоторые химические факторы (вещества) прикреплены к генерировавшей их клетке, и их восприятие рецепторами другой клетки требует непосредственного межклеточного контакта. Так, в голодающей популяции миксобактерий Myxococcus xanthus наблюдается агрегация клеток с последующим формированием плодовых тел со спорами. Процесс агрегации и споруляции у M. xanthus зависит от пилей типа IV (обеспечивающие скользящее движение), от полисахаридно-белковых фибрил и от липополисахаридного О-антигена внешнего слоя наружной мембраны. Все эти поверхностные клеточные структуры синтезируются с помощью так называемых S (social) генов, ответственных за коллективные, координированные перемещения клеток и формирование структур надклеточного уровня.

Дистантная химическая коммуникация на службе "эффектов кворума".

Феномен коллективного поведения бактерий обеспечивается различными олигопептидными сигнальными молекулами. Это могут быть: 1) ацилированные лактоны гомосерина, регулирующие широкий круг плотностно-зависимых коллективных процессов у грамотрицательных бактерий; 2) пептиды, регулирующие конъюгативный плазмидный перенос у Enterococcus, развитие воздушного мицелия у Streptomyces, споруляцию у бацилл и др.; 3) аминокислоты и сходные с ними аминные соединения, регулирующие агрегацию бактериальных клеток (E. coli, Salmonella typhimurium, Myxococcus xanthus) и формирование швермеров у Proteus mirabilis.

1. Кворум-зависимые системы с лактонами гомосерина как агентами межклеточной коммуникации (системы типа "luxI-luxR"). Классическим объектом служит морская светящаяся бактерия Vibrio fischeri. Свечение является плотностно-зависимым процессом, т. е. не наблюдается в разбавленных клеточных суспензиях, например, просто в толще морской воды (плотность культуры менее 102 клеток/мл). Свечение V. fischeri реализуется лишь в концентрированных культурах V. fischeri, в том числе в природных экологических нишах этой бактерии- в светящихся органах головоногого моллюска Euprymna scolopes, где плотность популяции достигает 1010-1011 клеток/мл. Биохимию и генетику свечения V. fischeri исследовали поэтапно. Вначале удалось показать, что свечение культур V. fischeri, находящихся на ранней экспоненциальной стадии развития, может быть индуцировано культуральной жидкостью, отделённой от клеток V. fischeri во время стационарной фазы. Детально охарактеризована ответственная за этот процесс генетическая система " luxI – luxR ", оказавшаяся типичной для большинства известных плотностно-зависимых систем грамотрицательных бактерий.

Система включает 2 основных блока генов. Первый блок состоит из следующих генов: Один из этих блоков—оперон luxICDABEG, чьи гены имеют следующие функции:

  • Ген luxI кодирует белок (LuxI, 193 аминокислоты), который функционирует как синтаза химического агента межклеточной коммуникации, чьё накопление в среде сигнализирует клеткам V. fischeri о достижении пороговой плотности (кворума) для биолюминесценции. Агент коммуникации представляет собой N-(3-оксогексаноил)-L-лактон гомосерина (3-ОГЛГ).
  • Гены luxA и luxB кодируют, соответственно, субъединицы a и b люциферазы (ферментного комплекса, ответственного за биолюминсценцию).
  • Гены lux C,D, E кодируют редуктазу жирных кислот (один из окисляемых субстратов в ходе люциферазной реакции, приводящей к испусканию кванта света)
  • Ген lux G кодирует редуктазу флавинмононуклетида (другой субстрат, также окисляемый в люциферазной реакции).

Другой генный блок включает ген lux R, чей белковый продукт LuxR (250 аминокислот) связывает фактор 3-ОГЛГ. Комплекс LuxR-3-ОГЛГ связывается с промоторным участком первого блока генов и активирует его транскрипцию. В отсутствие 3-ОГЛГ оперон luxICDABEG экспрессируется на низком "базовом" уровне. Белок LuxR в отсутствие 3-ОГЛГ функционирует как репрессор, в частности, гена luxR, кодирующего сам этот белок. По мере повышения концентрации клеток V. fischeri накапливающийся в среде 3-ОГЛГ начинает выступать как "аутоиндуктор": наряду со структурными генами его комплекс с белком LuxR активирует и транскрипцию luxI, т.е. синтез самого 3-ОГЛГ, активирующего в комплексе с белком LuxR траскрипцию оперона lux в новых и новых клетках V. fischeri. Поэтому лавинообразно нарастает синтез всех компонентов люциферазной системы и начинается интенсивное свечение бактерий.

Некоторые системы с лактонами гомосерина в роли феромонов способствуют устранению микроорганизмов-конкурентов, синтезируя антибиотики, бактериоцины. Так, генная система phzI-phzR регулирует синтез противогрибковых антибиотиков у Pseudomonas aureofaciens. Феромоны микроорганизмов могут использоваться в межвидовых взаимодействиях не только в роли антибиотиков/бактериоцинов, но также и в специфической роли сигнальных агентов. Это возможно потому, что различные виды микроорганизмов нередко имеют идентичные или очень сходные по химической природе феромоны. В этой связи интересно, что, например, выделяемые P. аeruginosa внеклеточные вещества усиливают вирулентность факультативной патогенной бактерии Burkholderia cepacium.

2. Кворум-зависимые системы с пептидными и белковыми феромонами.

"Классической" пептидной кворум-зависимой системой можно считать систему, отвечающую за конъюгативный перенос плазмид у Enterococcus faecalis и родственных бактериальных видов. Эта система стимулирует распространение в микробной популяции признаков, важных для взаимодействия микроорганизма и животного-хозяина, а также для устранения микробных конкурентов.

Кворум-зависимая система с пептидными феромонами обеспечивает перенос трех плазмид: плазмиды, ответственной за синтез гемолизинов (веществ, разрушающих эритроциты), плазмиды, ответственной за образование бактериоцина и плазмиды, ответственной за устойчивость E. faecalis к тетрациклину.

Каждый феромон (гекса- или октопептид) индуцирует слипание (clumping) бактериальных клеток и их конъюгацию с переносом от донора к реципиенту определённой плазмиды. Феромоны интенсивно синтезируют только клетки, не несущие соответствующих плазмид. У клеток-доноров подавлен синтез феромона; более того, плазмида кодирует ингибирующий пептид.

Установлено, что плотностно-зависимые системы с пептидными феромонами регулируют компетентность к генетической трансформации у B. subtilis и Streptococcus pneumoniae (где активируется трансформация генов устойчивости к антибиотикам от других видов Streptococcus, вызывающих оральные инфекции), а также вирулентность Staphylococcus aureus. Интересно, что как и системы типа luxI-luxR, пептидные плотностно-зависимые системы регуляции во многих случаях функционируют у симбиотических/паразитических микроорганизмов.

3. Кворум-зависимые системы с феромонами аминной (аминокислотной) природы.

У миксобактерий Myxococcus xanthus, наряду с недиффундирующим фактором С (физический контакт), имеется диффузный фактор А, ответственный за кворум-зависимую инициацию агрегации клеток с последующим формированием плодовых тел. Фактор А является смесью аминокислот и представляет собой продукт действия внеклеточных протеаз на поверхностные белки клеток. Комбинация фактора А и дефицита питательных веществ активирует двухкомпонентную систему генов sasS—sasR, инициирующую агрегацию клеток и формирование плодовых тел.

Биогенные амины, будучи добавленными к культурам микроорганизмов, оказывают ростовые и структурные эффекты на микробные колонии. Так, серотонин (5-гидрокситриптамин) стимулирует агрегацию и рост клеток E. coli, Rhodospirillum rubrum и миксобактерий рода Polyspondilum.

Гормон норадреналин (биогенный амин) также ускоряет рост патогенных энтеробактерий. У патогенных штаммов он стимулирует синтез адгезина К99 и Шига-подобных токсинов I и II. Примечательно, что норадреналин не стимулирует рост непатогенных штаммов E. coli. Патогенные энтеробактерии используют защитную реакцию организма (интенсивный синтез норадреналина в ответ на стресс, вызванный инфекцией) ради собственного блага.

E. coli, Bacillus subtilis, дрожжи Candida utilis выделяют в окружающую среду ряд однотипных соединений, способствующих адаптации микроорганизмов к разным стрессовым условиям - смене среды роста, повышенной температуре, присутствию антибиотиков или N-этилмалеимида: 1) "m -замедлина" (фактора ХII), снижающего скорость роста бактерий и тем самым способствующего преодолению стресса по принципу "снижая передачу у автомобиля, повышаешь его проходимость"; 2) антилизина (фактора ХI), ускоряющего адаптацию клеток к N-этилмалеимиду (не обнаружен у C. utilis); 3) "фактора ускоренной адаптации к новой среде" (ФУАНС).

Генерация физических полей

В литературе накапливаются данные о взаимовлиянии микробных колоний в ситуации, когда невозможен обмен химическими сигналами. Так, гибнущая под воздействием хлорамфеникола культура Vibrio costicola посылает сигнал, стимулирующий рост другой культуры, отделенной от неё слоем стекла. Клетки Bacillus carbonifillus повышают свою резистентность к антибиотикам и их рост стимулируется в ответ на сигналы, посылаемые другой микробной культурой (того же или иного вида бактерий); опыт ставили так, что донор и реципиент сигналов культивировали на двух половинах одной чашки Петри, разделенных сплошной стеклянной перегородкой.

В качестве конкретных физических факторов гипотетически предлагаются: 1) электромагнитные волны (по аналогии с эукариотическими клетками, где эффекты ультрафиолетовых лучей установлены – это митогенетический эффект А. Гурвича); 2) ультразвук.

Эффект Гурвича. Биогенный ультрафиолет

А.Г. Гурвич пришёл к тому, что необходимо рассматривать митозы в живом объекте не как единичные события, а в совокупности, как нечто координированное — будь то строго организованные митозы первых фаз дробления яйцеклетки или кажущиеся случайными митозы в тканях взрослого животного или растения. Гурвич полагал, что только признание целостности организма позволит объединить процессы молекулярного и клеточного уровней с топографическими особенностями распределения митозов.

С начала 20-х годов А.Г. Гурвич рассматривал различные возможности внешних влияний, стимулирующих митоз. В поле его зрения была и концепция растительных гормонов, развиваемая в то время немецким ботаником Г. Габерландтом. (Он накладывал на растительную ткань кашицу из растёртых клеток и наблюдал, как клетки ткани начинают активнее делиться.) Но было непонятно, почему химический сигнал не действует на все клетки одинаково, почему, скажем, мелкие клетки делятся чаще крупных. Гурвич предположил, что всё дело в структуре поверхности клеток: возможно, у молодых клеток элементы поверхности организованы особым образом, благоприятным для восприятия сигналов, а по мере роста клетки эта организация нарушается. (Представления о рецепторах гормонов тогда ещё, разумеется, не было.)

Однако если это предположение верно и для восприятия сигнала важно пространственное распределение каких-то элементов, напрашивалось предположение, что сигнал может иметь не химическую, а физическую природу: скажем, излучение, воздействующее на какие-то структуры клеточной поверхности, резонансно. Эти соображения в конечном счёте были подтверждены в эксперименте, ставшем впоследствии широко известным.

Рис Индукция митозов в кончике лукового корешка(рисунок из работы „Das Problem der Zellteilung physiologisch betrachtet“, Berlin, 1926).

 

 

Вот описание этого эксперимента, который был выполнен в 1923 году в Крымском университете. „Излучающий корешок (индуктор), соединённый с луковицей, укрепляли горизонтально, и его кончик направляли на меристемную зону (то есть на зону клеточного размножения, в данном случае также расположенную вблизи кончика корня. — Примеч. ред.)второго аналогичного корешка (детектора), закреплённого вертикально. Расстояние между корешками равнялось 2-3 мм“ (рис.). По окончании экспозиции воспринимавший корешок точно маркировали, фиксировали и нарезали на серию продольных срезов, идущих параллельно медиальной плоскости. Срезы изучали под микроскопом и подсчитывали количество митозов на облучённой и контрольной стороне.

В то время уже было известно, что расхождение между количеством митозов (обычноих бывает 1000-2000) в обоих половинах кончика корешка в норме не превышает 3-5%. Таким образом, „значительный, систематический, резко ограниченный перевес в числе митозов“ в центральной зоне воспринимающего корешка — а именно это увидели исследователи на срезах — неоспоримо свидетельствовал о воздействии внешнего фактора. Нечто исходящее из кончика корня-индуктора заставляло активнее делиться клетки корня-детектора.

Дальнейшие исследования ясно показали, что речь идёт именно об излучении, а не о летучих химических веществах. Воздействие распространялось в виде узкого параллельного пучка — стоило слегка отклонить в сторону индуцирующий корешок, эффект пропадал. Пропадал он также, когда между корешками помещали стеклянную пластинку. А вот если пластинка была из кварца, эффект сохранялся. Это подсказывало, что излучение было ультрафиолетовым. Позже его спектральные границы установили более точно — 190-330 нм, а среднюю интенсивность оценили на уровне 300-1000фотонов/с на квадратный сантиметр. Иначе говоря, митогенетическое излучение, открытое Гурвичем, представляло собой средний и ближний ультрафиолет чрезвычайно низкой интенсивности. (По современным данным, интенсивность ещё ниже — она составляет порядка десятков фотонов/с на квадратный сантиметр.)

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-06-26 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: