Заглавие статьи | УЛЬТРАМИКРОБАКТЕРИИ |
Автор(ы) | АЛЕКСАНДР ВОРОНИН, ВИТАЛИЙ ДУДА, НАТАЛЬЯ СУЗИНА |
Источник | Наука в России, № 5, 2007, C. 31-38 |
Автор: АЛЕКСАНДР ВОРОНИН, ВИТАЛИЙ ДУДА, НАТАЛЬЯ СУЗИНА
Член-корреспондент РАН Александр ВОРОНИН, доктор биологических наук
Виталий ДУДА, кандидат биологических наук
Наталья СУЗИНА, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН
Благодаря достигнутым за последнее десятилетие успехам в познании мира микроорганизмов существенно изменились представления об их биоразнообразии и молекулярно-генетических основах строения, функционировании и эволюции биологической клетки. Результатом исследований большого числа новых и редких видов микробиот явилась, в частности, обширная информация о диапазоне размеров бактериальных клеток, но особый интерес для специалистов представляют их ультрамелкие формы.
НЕ СЛУЧАЙНЫЙ ИНТЕРЕС
В настоящее время самыми крупными из бактерий считают гигантскую сферическую аэробную Thiomargarita namibiensis диаметром - 750 мкм и палочковидную анаэробную Epulopiscium sp. диаметром - 80 мкм, превосходящих размерами даже ряд многоклеточных эукариот*. А ведь ранее полагали, что крайне малый диаметр прокариотной клетки может служить основным фено-
* Эукариоты - одно- или многоклеточные растения, животные и некоторые микроорганизмы, у которых тело клеток дифференцировано на цитоплазму и ограниченное мембраной ядро. Прокариоты - микроорганизмы, не обладающие типичным клеточным ядром и хромосомным аппаратом (прим. авт.).
стр. 31
типическим отличием бактерий. Кстати, недавно (из публикаций Клода Куртиса с соавторами (Франция) в 1994 и 1998 гг., а также Мотомичи Мацузаки из Университета Токио в 2004 г.) стало известно: наиболее мелкие клетки одноклеточных свободноживущих эукариотических организмов (водорослей Ostreococcus tauri и Cyanidoschizon merolae) достигают всего 0,6 - 2,0 мкм. В царстве же прокариот подобный рекорд принадлежит ультрамелким бактериям Mycoplasma genitalium и Pelagibacter ubique и составляет < 0,3 мкм (300 нм). К сведению читателей: размер частиц самого крупного вируса - 0,4 мкм, большинство же бактерий имеют клетки 1 - 2 мкм.
Растущий интерес ученых к ультрамелким формам бактерий не случаен: объяснение феномена минимализации микробной клетки и существования в природе мира подобных организмов превратилось в комплексную фундаментальную проблему, имеющую прикладное и гносеологическое значение. С ее решением тесно связаны успехи развития по крайней мере шести направлений исследований. Цель первого из них - выяснить относительную долю ультрамелких организмов в микроценозах различных природных сред и их роль в круговороте веществ в природе. Второго - изучить видовое микробное разнообразие, выделить ранее некультивируемые микроорганизмы и обнаружить еще неизвестные метаболические процессы. Третьего - приблизиться к раскрытию тайны возникновения жизни на Земле и получить новые сведения о ее эволюции. Четвертое направление исследований - определение минимального набора генов и комплекса основных метаболических процессов, обеспечивающих репродукцию простейших клеток, что будет иметь значение для создания искусственной живой клетки. В-пятых, не следует забывать и о научном поиске внеземной жизни. Наконец, в качестве последней важнейшей задачи назовем получение модельных видов ультрамикробактерий, пригодных для использования в биотехнологии (генетической инженерии, микробиологической промышленности, нанотехнологиях).
"КАРЛИКИ", "ЛИЛИПУТЫ" ИЛИ НАНОБАКТЕРИИ?
В 1981 г. ученые Франциско Торелла и Ричард Морита (Орегонский государственный университет, США) к выделенным из морской воды экстремально мелким бактериям с клетками диаметром < 0,3 мкм впервые применили термин "ультрамикробактерии". А в 1982 г. Фриц Шат (Гронинген, Нидерланды) с соавторами в качестве важнейшего и более точного признака этих организмов ввел предельное значение объема клетки, который должен составлять < 0,3 мкм3 независимо от геометрической формы бактерии. По этому критерию были выделены и описаны новые виды свободноживущих сапротрофных (не паразитических и не симбиотических) ультрамикробактерии - Sphingopyxis alaskensis, Pelagibacter ubique и актинобактерия под лабораторным номером MWH-Ta1 (видовое название пока не уточнено). Таким образом, в основу нового понятия был, помимо метрического, заложен и таксономический критерий.
В качестве синонима обсуждаемого термина иногда используют "нанобактерии". Однако большинство исследователей относят к таковым наиболее мелких представителей ультрамикробактерии с объемом клеток - 0,004 мкм3. Типичный пример Mycoplasma genitalium - одна из патогенных, лишенных клеточной стенки микоплазм.
В геологии нанобактериями часто называют сверхмелкие бактериоподобные частицы (структуры) в горных породах и метеоритах, а в медицине этот термин используют при описании гипотетических облигатных паразитов, обнаруживаемых в тканях, сыворотке и органах человека и предположительно вызывающих атеросклероз и камнеобразование в почках. Однако многие специалисты не разделяют этой версии в связи с отсутствием достаточно строгих доказательств существования подобных патогенных организмов. Утверждения же о находках нанобактерии с размером клеток - 50 нм, не содержащих ДНК и рибосом, несомненно, спекулятивны, и применение к таким частицам строгого термина "бактерия" некорректно.
Итак, общепринятые термины и понятия в этой области изысканий отсутствуют. Ряд авторов называет ультрамикробактерии "карликами", "лилипутами", миниклетками и т.п., но последнее обозначение сомнительно, поскольку микробиологи и генетики применяют его к безъядерным клеткам, образующимся в результате нарушений нормального деления. К тому же не у всех видов бактерий миниклетки обладают столь малыми размерами. А вот приставка "нано-" для клеток диаметром ≤ 0,3 мкм, встречающихся в природном материале или в микробных культурах, вполне обоснована.
Какие же преимущества получают ультрамикробактерии? Во-первых, огромная площадь поверхности (т.е. всасывающих питательные вещества и выделяющих метаболиты оболочек) их миниатюрных клеток позволяет им лучше развиваться в природных средах с низкой концентрацией питательных ингредиентов. Во-вторых, ультрамелкие размеры обеспечивают этим существам способность проникать в сверхмелкие поры и локусы натуральных субстратов, а также в более крупные клетки других видов живых организмов, что помогает освоению недоступных для прочих существ ниш. Наконец, ультрамелкие клетки репродуцируются с большей эффективностью и легче расселяются в природных субстратах, что, безусловно, способствует их выживанию.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОБЫЧНОГО ОБЪЕКТА
Тут можно вспомнить пророческие слова великого русского естествоиспытателя Михаила Ломоносова: "Коль много микроскоп нам тайностей открыл невидимых частиц и тонких в теле жил!". Ибо отечественные и зарубежные ученые - А. Крисе (1948 г.) и Д. Никитин с соавторами (1964, 1966 гг.) из Института микробиологии РАН, Л. Касида (1969 г.) и Г. Баи с коллегами (1972, 1973 гг.) из Пенсильванского государственного университета, Р. Морита (1985 г.), Ф. Шат с сотрудниками (1977 г.) - именно с помощью прямых микроскопических методов (прежде всего электронно-микроскопических, позволя-
стр. 32
Фотографии клеток ультрамикробактерии штамма NF 1 под электронным микроскопом (длина масштабной линейки 300 нм); КС - капсулярный слой, Н - наноклетки, НМ - наружная мембрана, П - периплазма, ПФ - гранулы полифосфатов, Пч - почка, ТПС - тельца с периодической структурой, ЦМ - цитоплазматическая мембрана, ЦК - центральная клетка, ША - шаровидные агрегаты наноклеток; a - ультратонкий срез ША в иле нефтешлама, b - фрагмент периферической части двух ША с тонкой структурой компартментов и отходящими сферическими Н, c - почкующаяся клетка, d - образование клеточных агрегатов, сходных с ША на рис. a и b.
Клетки, цепочки и гроздья почкующихся наноклеток ультрамикробактерии штамма NF 1. Фазово-контрастная микрофотография (длина масштабной линейки 10 мкм).
Ультратонкий срез клетки штамма NF 3. СВ - сферические выступы на клетках. Черные гранулы - тельца с периодической структурированностью (длина масштабной линейки 0,5 мкм).
ющих обнаружить невидимые в световом микроскопе объекты и изучить их тонкую структуру) показали присутствие в природных средах (почве, илах, морской и озерной воде) большого числа ультрамелких клеток. Но наиболее крупным прорывом стали работы американских ученых Г. Баи, Л. Касида и Д. Балквилла (Пенсильванский государственный университет, США). С помощью оригинального метода фракционирования микроорганизмов они подробно охарактеризовали ультрамикробактерии in situ в почвах разных типов и тем самым
стр. 33
Схематический рисунок разных вариантов (1 - 4) клеточного цикла штаммов NF 1 и NF 3. Синие кружки - изначально существовавшие особи, красные - клетки, сформированные de novo путем почкования материнских: 1 - образование крупной "конечной" клетки через стадию отпочковывания промежуточной мелкой клетки; 2 - формирование клетки, равной по объему исходной (материнской); 3 - формирование одновременно двух почек на материнской клетке; 4 - формирование одновременно трех почек на материнской клетке; 5 - цикл развития индигенной ультрамикробактерии в почве.
доказали существование в них клеток размером < 0,3 мкм. Численность последних достигала приблизительно 60% от общего числа учитываемых в образцах.
Природа этих микроорганизмов (таксономическая принадлежность, физиология, филогения и т.д.) длительное время оставалась неясной. И лишь Петер Янссен из Института Макса Планка (ФРГ) с соавторами в 1997 г., а также Такаши Иизука из "Адзиномото корпорэйшн" (Кавасаки, Япония) с соавторами в 1998 г. выделили и охарактеризовали ряд почвенных ультрамикробактерии в чистых культурах. Среди них оказались и представители новых видов, но их классификация авторами пока не завершена.
В лаборатории структурно-функциональной адаптации микроорганизмов нашего Института были проведены исследования по характеристике индигенных (природных, in situ) форм микроорганизмов в почвах, нефтешламах и грунтах вечной мерзлоты. Для выяснения ультраструктурной организации их клеток мы применили новые методы и подходы, в числе которых были прицельная электронная микроскопия*, изучение микромонолитов почв и низкотемпературный метод фракционирования микроорганизмов (сепарация клеток) в сочетании с люминесцентной** и высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопией, позволяющей выявлять ультраструктуры клеток. Благодаря перечисленным оригинальным подходам удалось установить: в нефтешламовом иле и фунтах вечной мерзлоты доля ультрамикробактерии может достигать 30 - 40% от общего числа бактерий. При этом, однако, необходимо строго подходить к дифференциации клеток и таких подобных им структур, как фрагменты цитоплазмы, агрегаты органических макромолекул, везикулы наружной мембраны грамотрицательных бактерий, миниклетки и др.
Изучение ультратонких срезов фракционированных индигенных микроорганизмов и микромонолитов нефтешламов под электронным микроскопом позволило нам обнаружить 7 морфотипов ультрамелких бактерий, в том числе одну уникальную по тонкой структуре и способу размножения, имеющую кокковидные клетки диаметром - 200 - 300 нм (иногда - 180 нм, т.е. менее 0,2 мкм, практически не различимые в обычном световом микроскопе). Эти клетки собраны в агрегаты шаровидной формы, отделенные от других бактерий крупными капсулами. Анализ подобных образований показал: большинство особей в них пребывает на стадии деления, а часть мелких периферических клеток по завершении формирования их оболочек отделяются и выходят в окружающую среду. После созревания упомянутые агрегаты распадаются на одиночные клетки или 2 - 4-клеточные элементы.
Итак, в илах и почвах действительно присутствуют и развиваются свободноживущие ультрамикробактерии.
НЕ ЗНАЯ СТРОЕНИЕ, НЕ ПОНЯТЬ ПРИРОДУ ОРГАНИЗМА
Очевидно, без выделения ультрамикробактерии в чистую культуру и характеристики ее гено- и фенотипических свойств нельзя оценить роль данного микроорганизма в биосфере, его структурное, метаболическое разнообразие и вероятность осуществления им еще неизвестных биохимических процессов. Благодаря применению оригинальных методов мы выделили 15 таких штаммов. Среди них представители различных морфологических, систематических и физиологических групп бактерий: грамположительные и грамотрицательные виды, вибрионы, кокковидные и палочковидные формы, аэробы и анаэробы.
При этом наиболее детально изучены штаммы NF 1 и NF 3. Первый был получен таким образом: шаровидные агрегаты ультрамелких клеток под микроскопом переносили с предметных стекол на поверхность стерильного агаризованного нефтешлама, служившего питательной средой. На ней сначала получили накопительную куль-
* Прицельная электронная микроскопия - использование комплекса препаративных приемов, позволяющих исследовать определенный микроскопический локус в природном субстрате (прим. авт.).
** Люминесцентная электронная микроскопия - изучение флюоресценции клеток, возбужденной облучением лучами определенного спектра (прим. авт.).
стр. 34
ЛК - лизирующиеся клетки цианобактерии Chlorogloeopsis fritschii под люминесцентным микроскопом. БК - бактериальные клетки штамма NF 1. Флуорохромирование DAPI (длина масштабной линейки на снимках 5 мкм).
туру, которую далее неоднократно пассировали на агаризованной среде вплоть до получения чистой культуры.
Штамм NF 1 имеет следующие характерные диагностические признаки. У него есть клетки почкующиеся, а также обладающие поверхностью, покрытой сферическими или конусовидными выступами (протрузиями). Кроме того, он формирует шаровидные агрегаты и образует на агаризованных средах характерные восковидные колонии округлой формы, выпуклые, слизистые, диаметром 2 - 5 мм. Благодаря этой информации нам удалось выделить с корней водной культуры растения Pedilantus tithymaloides еще одну чистую культуру ультрамикробактерий - штамм NF 3.
На синтетических средах с углеводами оба штамма формируют клетки двух типов: крупные овальные, размеры 400*800 нм (0,4 - 0,8 мкм), и ультрамелкие кокковидные (редко - палочковидные), диаметром - 300 нм (0,3 мкм), проникающие сквозь мембранные фильтры диаметром пор 0,2 мкм и способные размножаться почкованием. В это время непосредственно на материнских клетках появляются 1 - 3 почки, причем гифы между ними не образуются.
Оболочка клеток описываемых штаммов по своему строению характерна для грамотрицательных бактерий и состоит из наружной мембраны, муреинового слоя* и периплазматического пространства**, снаружи она покрыта тонким слоем микрокапсулы, особенно хорошо выраженным при выращивании в кокулыурах с цианобактериями.
Периплазматическая зона локально расширена, из-за чего поверхность клетки имеет сферические и конусовидные выступы - периплазматические простеки***. Это места образования почек либо экстраклеточных везикул, окруженных наружной мембраной, а также участки контакта с поверхностью клеток цианобактерии (развитие ультрамикробактерий тесно связано с ними, о чем мы расскажем ниже).
В цитоплазме хорошо заметны зона нуклеоида и запасные включения: поли-β-гидроксибутират и полифосфаты. Первые на ультратонких срезах имеют вид шаровидных электронно-оптически прозрачных телец,
* Муреиновый слой - слой, состоящий из пептидогликана (муреина) (прим. ред.).
** Периплазма - компартмент клетки грамотрицательных бактерий, заключенный между цитоплазматической и наружной мембранами (прим. ред.).
*** Простеки - клеточные выросты, позволяющие бактериям увеличить соотношение поверхность/объем, что помогает выживанию в средах с низким содержанием питательных веществ (прим. авт.).
стр. 35
Ультратонкие срезы (a, b, c). Ультрамикробактерии прикрепляются и внедряются в клетки цианобактерии Chlorogloeopsis fritschii (метка на рисунке 0,3 мкм). БК - бактериальные клетки штамма NF 1, НС - наружный слой чехла, ВС - внутренний слой чехла клеток цианобактерии, К - капсула (длина масштабной линейки на снимках 0,3 мкм).
окруженных тонкой однослойной стенкой толщиной - 30 А. Вторые выглядят чаще всего как шаровидные электронно-плотные тельца, локализованные в цитоплазме и нуклеоплазме, имеющие зернистую структуру, хотя иногда их центральная часть обладает электронно-прозрачной сердцевиной.
Кроме того, в цитоплазме были выявлены уникальные кристаллоподобные образования в виде телец с периодической структурой, представляющих собой стопки плотно упакованных палочковидных субъединиц толщиной - 30 А и длиной до 150 - 300 А (по цитохимическим данным это белковые структуры). Терминальная (расположенная на одном из полюсов клетки) органелла Mycoplasma pneumoniae, также обладающая структурной периодичностью, - единственный описанный в литературе аналог упомянутых телец. Назначение последних, как и функции другой обнаруженной нами в клетках штамма NF 3 необычной структуры - пучков длинных (до 50 - 60 нм) нитей толщиной - 35 - 40 А, пока неизвестны. Все упомянутые включения присутствуют и в клетках шаровидных бактериальных агрегатов.
Еще одна уникальная ультраструктурная особенность выделенной бактерии - ее способность образовывать в периплазме крупные электронно-плотные сферической формы тельца до 20 - 30 нм в диаметре, особенно часто присутствующие при выращивании в кокультурах с цианобактериями. Отметим: эту сложную структурную дифференциацию периплазмы мы описываем впервые.
ИХ "ЖИЗНЕННАЯ СТРАТЕГИЯ"
Штаммы NF 1 и NF 3 - гетеротрофы, аэробы, каталазо- и уреазоположительные (т. е. продуцируют соответствующие ферменты) - способны метаболизировать ограниченный круг органических соединений: в качестве источника углерода они используют простые углеводы, азота - аммонийный, нитратный азот либо аминокислоты. Полимеры (целлюлозу, пектин, агар), а также белки (желатин, казеин) не разлагают и нуждаются в добавлении в среды факторов роста: дрожжевого экстракта, витаминов (пиридоксина, тиамина, рибофлавина, никотиновой, р-аминобензойной и фолиевой кислот, биотина и никотинамида). Эти штаммы синтезируют цитохромы* a, b и c, а также спектр жирных кислот, свойственных альфа-протеобактериям.
При инкубировании совместно с культурами некоторых видов цианобактерии штаммы ультрамикробактерии способны их лизировать независимо от степени освещенности. Наиболее чувствительными к такому воздействию оказались цианобактерии Chlorogloeopsis fritschii. str. ATCC* 27193 и Chlorogloeopsis sp. str. S, клетки которых обладают чехлами. Менее чувствительными были штаммы Anabaena variabilis str. ATCC 29413, Nostoc muscorum str. 3 и Spirulina sp. str. 287.
После добавления ультрамикробактерии происходит уменьшение зеленой окраски биомассы цианобактерии, а через 15 - 20 суток она полностью обесцвечивается. Параллельно в эпифлуоресцентном микроскопе мы наблюдали снижение, затем исчезновение красной флуоресценции хлорофиллов, вызванной облучением клеток ультрафиолетовыми лучами.
Флуоресцентно-микроскопические и электронно-микроскопические исследования показали: на первом этапе лизиса происходит прикрепление клеток ультрамикробактерии к поверхности клеток цианобактерии. Далее первые внедряются в чехол - сначала в его поверхностный капсулярный, рыхлый слой, затем - во внутренний, электронно-плотный, с пластинчатой структурой. На последнем, третьем этапе они проникают в хозяйскую клетку, вызывая глубокий лизис ее цитоплазмы. Очевидно: в межклеточном взаимодействии важную роль играют углевод-углеводные взаимодействия, так как первоначально наблюдается тесный контакт фибрилл капсулы цианобактерии с фибриллами микрокапсулы ультрамикробактерии.
Существенно, что при совместном культивировании с цианобактериями даже на агаризованных средах для фототрофов (лишенных источников азота и органического углерода) NF 1 и NF 3 хорошо растут и не теряют жизнеспособности более 12 месяцев, однако в отсутствие цианобактерии совсем не растут. Следовательно, их питают элементы (в том числе витамины), синтезируемые цианобактериями. Аналогичная картина наблюдается при росте ультрамикробактерии на клетках других прокариот, например, на бацилле Bacillus subtilis. Таким образом, в данном случае мы имеем дело с факультативными экто- и эндоклеточными паразитами бактерий.
Отметим: хотя в литературе содержатся сведения о микроорганизмах, вызывающих экстраклеточный лизис цианобактерии (бделловибрион и некоторые виды цитофаг), однако паразиты, способные проникать
* Цитохромы - сложные белки, осуществляющие в живых клетках ступенчатый перенос электронов и (или) водорода от окисляемых органических веществ к молекулярному кислороду (прим. авт.).
* АТСС - американская коллекция типовых культур (прим. авт.).
стр. 36
внутрь их оболочек и цитоплазму клеток, до настоящего времени не были выделены и описаны.
По данным анализа нуклеотидных последовательностей гена 16S рРНК штаммы NF 1 и NF 3 имеют высокую степень сходства (99,4%) и, по-видимому, относятся к одному виду. Причем по названному признаку, а также по молярным процентам гуанина и цитозина в ДНК NF 1 и NF 3 обладают высоким уровнем сходства и с типовым штаммом недавно описанного вида Kaistia adipata. Скорее всего, выделенные нами микроорганизмы следует отнести к указанному виду, хотя окончательный вывод можно будет сделать лишь после получения данных об уровне гомологии их ДНК. Отметим: на синтетических питательных средах у изученных штаммов наряду с наноклетками формируются также и крупные, превосходящие их по размеру и величине нуклеоидов в 3 - 4 раза. Их можно рассматривать как неразделившиеся многоклеточные особи. Представители K. adipata, по-видимому, широко распространены в природе: они обнаружены нами в нефтешламе Татарстана (NF 1), прикорневой зоне растения Pedilanthus tithymaloides (NF 3), в светло-каштановой почве Прикаспийской низменности и иле озера Байкал (NF 2).
Из других изолятов ультрамикробактерий значительный интерес представляет штамм NF 4, выделенный из ила озера Байкал. У него наряду с палочковидными формируются ультрамелкие сферические клетки. Филогенетический анализ, проведенный на основе данных о нуклеотидной последовательности гена 16S рРНК, показал: данная бактерия относится к новому виду рода Chiyseobacterium (Phylum 'Bacteroidetes'), для которого мы предлагаем название Chryseobacterium 'nanocystis'.
НОВЫЕ ПАРАДОКСЫ И "ОТКРЫТЫЕ" ВОПРОСЫ
В настоящее время число выделенных и хорошо изученных видов ультрамикробактерий значительно расходится с числом свободноживущих их видов, определенных генетическими методами в природных субстратах. Преодоление этого "разрыва", несомненно, будет способствовать расширению представлений о разнообразии микробного мира и его роли в природе.
Обратим внимание на основные свойства некоторых культивируемых ультрамикробактерий. Так, Sphyngopyxis alaskensis относится к свободноживущим гетеротрофам, размер ее генома - 3,2 Mb, клеток - 0 2 - 0,5*1,0 - 1,5 мкм, средний объем последних - 0,12 мкм3, клеточная стенка грамотрицательного типа. У названного вида особенностью клеток является наличие всего одной копии оперона*, кодирующего образование рибосомальной РНК и небольшое число - от 200 до 2000 рибосом на клетку.
Необходимо упомянуть и Pelagibacter ubique, свободноживущий факультативный гетеротроф с размером генома 1,3 Mb, клеток - 0,12 - 0,2*0,37 - 0,89 мкм, средним объемом последних - 0,01 мкм и грамотрицательной клеточной стенкой. Его характерная черта - отсутствие псевдогенов**, интронов***, транспозон**** и экстра-хромосомальных элементов*****.
* Оперон - участок генетического материма, состоящий из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита (прим. ред.).
** Псевдогены - неактивные, но стабильные элементы генома, возникшие в результате мутаций в ранее работавшем гене (прим. ред.).
*** Интрон - участок гена, не несущий информацию о первичной структуре белка и расположенный между кодирующими участками - экзонами. Обнаружены главным образом в генах эукариот (прим. ред.).
**** Транспозоны (подвижные генетические элементы эукариот) - фрагменты ДНК, способные к перемещению в геноме клетки или между геномами и содержащие гены ферментов, необходимых для их перемещения (транспозиции). Встраиваясь в различные участки хромосом, они изменяют активность генов, вызывают различные типы мутаций, способствуя нестабильности и изменчивости генома (прим. ред.).
***** Экстрахромосомальные элементы - плазмиды бактерий (прим. ред.).
стр. 37
Ультратонкий срез ультрамикроклеток штамма NF 4.
Третья ультрамикробактерия, которую мы здесь отметим, - актинобактерия - штамм MWH-Ta1 с неустановленной еще видовой принадлежностью. Это - свободноживущий гетеротроф. Размер ее генома пока не определен. Клетки достигают 0,15 - 0,24*0,5 - 1,5 мкм, их средний объем составляет 0,03 мкм3. Тип клеточной стенки грамположительный, она имеет S-слой (поверхностный, состоящий из упорядочение расположенных белковых субъединиц).
Назовем также Mycoplasma genitalium, относящуюся к типу паразитов, с размером генома 0,58 Mb, клеток (лишенных клеточной стенки) - 0,2 мкм, средним объемом последних 0,004 мкм3. В геноме этой ультрамикробактерии всего 468 кодирующих белки генов.
Завершим же список видом Nanoarchaeum equitans, являющимся симбионтом гипертермофила fgnicoccus. Размер его генома 0,5 Mb, клеток (в стенке которых есть только S-слой) - 0,4 мкм, средний объем последних - 0,0033 мкм3. У названной ультрамикроархеи отсутствуют гены синтеза липидов.
Итак, очевидно: хорошо известные виды ультрамикробактерий имеют существенные различия. Полученные же нами данные свидетельствуют: среди этих микроорганизмов есть виды с новыми, ранее неизвестными физиологическими свойствами и необычными клеточными ультраструктурами. Это подтверждают и результаты американских специалистов, изучивших недавно выделенную в чистой культуре морскую ультрамикробактерию Pelagibacter ubique (Стефен Джиованнони с соавторами, 2005 г.). Она в процессе необычного фотосинтеза использует бактериородопсин, и ее биомасса в морях больше, чем у всех рыб. P. ubique обладает наименьшим размером генома среди известных в настоящее время свободноживущих ультрамикробактерий ("обгоняют" ее лишь некоторые симбиотические и патогенные прокариоты, развивающиеся в природе только внутри клеток или тканей других живых существ). Как уже говорилось, геном этого вида отличается предельной компактностью, что согласуется с ультрамелкими размерами клеток бактерии.
Однако анализ свойств относительно хорошо изученных культивируемых ультрамикробактерий выявил следующий парадокс: между величиной клеток и размером их генома отсутствует прямая корреляция. Примером могут служить недавно описанная ультрамикроархея Nanoarchaeum equitans и P. ubique: у первой очень маленький геном при значительном размере клеток, у второй - наоборот. Причины этого несоответствия не ясны. Можно предположить, что нуклеоиды (прокариотный аналог ядра) у некоторых из этих микроорганизмов более крупные в связи с присутствием в них повторов хромосомы. Стало быть, вопрос о ядерно-цитоплазматическом соотношении у разных видов таких бактерий остается невыясненным.
Открыт вопрос и о возможном существовании в природе хемолитоавтотрофных ультрамикробактерий, а также свободноживущих анаэробных ультрамикропрокариот, лишенных клеточной стенки и других оболочек. Обнаружение таких форм могло бы внести существенный вклад в познание структурно-функционального и геномного разнообразия микрофлоры, а также в расширение возможностей биотехнологии.
Актуально глубокое изучение не только структурно функциональной организации геномов, но и ультраструктурной и молекулярной цитологии клеток ультрамикробактерий. Если это направление будет развиваться, мы приблизимся к решению мегапроблемы современной биологии - созданию искусственной живой клетки.
Работы были проведены при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований N 06 - 04 - 49463.
Новые публикации: |
Популярные у читателей: |
Новинки из других стран: |
Контакты редакции | |
О проекте · Новости · Реклама |
Цифровая библиотека Украины © Все права защищены
2009-2024, ELIBRARY.COM.UA - составная часть международной библиотечной сети Либмонстр (открыть карту) Сохраняя наследие Украины |