Микробиологи изучили охотничий арсенал хищных нитчатых бактерий рода Aureispira из типа Bacteroidota. Оказалось, что он состоит из белковых крючьев-захватов и телескопических трубок для убийства своих жертв. Описание бактерий, их оружия и механизмов охоты опубликовано в журнале Science.
Хищничество в мире бактерий всё ещё плохо изучено — оно обнаружено у Myxococcus xanthus, Bdellovibrio-подобных организмов, Candidatus Uabimicrobium amorphum и видов Vampirococcus. Есть бактерии, которые убивают и пожирают всех, кто коснётся их колонии. Есть те, которые цепляются к клеткам жертв и постепенно высасывают их. А есть бактерии, которые действуют как клейкая лента от мух, просто налепляя на свою поверхность своих жертв и вытягивая из них питательные вещества. Таких липких хищников называют иксотрофами.
Термин «иксотрофия» (от греческого iχos, что значит «липкий») придумал в 1997 году корифей морской микробиологии Ральф Арнольд Левин (Ralph Arnold Lewin). Известно про это явление пока очень мало. Известно, что нитчатые бактерии из типа Bacteroidota перемещаются в среде, облепленные своими жертвами, которых они поглощают — кого-то мгновенно, а кого-то оставляют на потом. Но как они ловят свою вёрткую добычу? Как убивают своих жертв? Когда решают пойти на охоту? И каков мотив?
Авторы исследования, опубликованного в журнале Science, изучили нитчатую бактерию рода Aureispira из типа рода Aureispira из типа Bacteroidota. У этих бактерий есть несколько особенностей — во-первых, отсутствие жгутиков и прочих всевозможных ресничек. Она перемещается, извиваясь по спирали. Во-вторых, они образуют скопления из 5-10 клеток, сцепленных между собой в длинные нити. И — охотятся.
Клетки Aureispira цепляются друг за дружку и образуют нити.
Изображение: Yun-Wei Lien et al. / Science, 2024
Aureispira живёт в морской воде, и, насколько известно, предпочитает микроорганизмы, снабжённые жгутиком. Ранее фиксировались случаи их охоты на Vibrio campbellii, родственников холерного вибриона, поэтому учёные использовали их как модельную добычу. Хищника и жертву разводили на питательной среде, имитирующей морскую воду, затем смешивали культуры и смотрели, что будет, через оптический микроскоп.
Хищные спирали немедленно брались за дело: в жидкой среде они хватали вибрионы за жгутик. На сухих поверхностях жертвы нити Aureispira подползали к жертвам, и те прилипали к хищнику намертво. Как если бы клейкая лента гонялась за мухами по квартире.
Слева — нити Aureispira, облепленные пойманными за жгутик вибрионами. Справа — те же нити Aureispira, но почти без добычи, потому что учёные подсунули им только мутантных вибрионов, лишённых жгутиков.
Изображение: Yun-Wei Lien et al. / Science, 2024
В местах атаки обнаружилось, чем же они приклеивают жертву. Оказалось есть два орудия охоты, которые изучили с помощью криоэлектронной томографии.
Первое орудие получило от исследователей название «крюк-захват». Это длинный, тонкий и жёсткий белковый стержень, на конце которого по кругу расположены крючки. Такие крюки расположены по всей поверхности хищника. Этим устройством хищник «цепляет» жертву за жгутик. Белок, из которого синтезируется крюк-захват, имеет родство с белком SprB, участвующим в движении самих Aureispira и их родственников. Этот охотничий белок получил от авторов название GhpA.
Коричневыми стрелками указаны крюки-захваты. В углу — увеличенное изображение самого «крючка».
Изображение: Yun-Wei Lien et al. / Science, 2024
Притянув крюком-захватом жертву к себе, Aureispira начинает орудовать следующим инструментом — сократительной инъекционной системой T6SS. Это большой и сложный белковый комплекс, который состоит из двух трубок, вставленных одна в другую.
Бактерия использует его как телескопический гарпун — T6SS подходит к клеточной стенке бактерии-хищницы изнутри, а затем выстреливает тонкой трубкой в цель — соседнюю клетку жертвы. Удар разрушает клеточную стенку добычи, её внутренности вываливаются наружу и всасываются хищником.
Верхний ряд, слева направо: пустые оболочки T6SS; «отстрелявшийся» комплекс Т6SS; T6SS с антенной.
Нижний ряд, слева направо: T6SS выстрелил своим гарпуном (зелёная стрелка) в клетку жертвы и пробил её клеточную стенку; Рядом схема, выполненная по фотографии. Синим подкрашен корпус комплекса T6SS, зелёным — «гарпун».
Изображение: Yun-Wei Lien et al. / Science, 2024
Авторы предполагают, что механическим воздействием дело не ограничивается. Возможно, хищник что-то впрыскивает в тело жертвы в момент пробития её оболочки, потому что Aureispira умеет синтезировать вещества, разрушающие клеточную стенку.
Ещё на внешнем конце T6SS обнаружились замысловатые симметричные структуры, которые учёные назвали антеннами. Иногда они «открыты», иногда «закрыты», но более ничего об их устройстве и назначении выяснить не удалось. Авторы предполагают, что антенны могут быть частью каких-то сигнальных систем.
T6SS. В верхней части снимков видны антенны, выставленные наружу клетки хищника. Слева закрытая, справа — открытая.
Изображение: Yun-Wei Lien et al. / Science, 2024
Крюки используются именно в жидкой среде, то есть там, где жертвы плавают, вертя жгутиками. Но на твёрдых поверхностях, там где жгутик бесполезен, охота и убийство идёт только с помощью второго орудия — T6SS. Мутанты с отключённым геном белка T6SS всё так же хватали своих жертв, но ничего не могли с ними поделать, просто катали на себе вибрионы верхом. Так выяснилось, что крюки нужны только для захвата, а вот T6SS — и для захвата, и для умерщвления жертв. Кроме того, учёные обнаружили, что в 18% случаев контакта (из 130) жертва не поглощалась мгновенно, болтаясь на клейкой ленте убийцы. Вероятно, хищник оставляет её про запас.
Сверху: схема охоты, предложенная авторами статьи. Хищник (жёлтый) приближается к трём жертвам, затем захватывает их и убивает.
Снизу, слева направо: (1) Крюки-захваты и T6SS. Показаны антенны — слева закрытая, справа — открытая. (2) Крюки-захваты держат жгутик жертвы. (3) T6SS выстрелил внутренним стержнем (зелёный) в жертву и пробил её клеточную стенку.
Изображение: Yun-Wei Lien et al. / Science, 2024
Чтобы выяснить, когда бактерии выходят на свою липкую охоту, биологи секвенировали их геном. Оказалось, что в участках, ответственных за синтез T6SS, имеются вставочные элементы — IS. IS — это участок генома, который несёт только информацию, нужную для вырезания его же из генома, и больше ничего. Это своего рода заглушка, мешающая работе одного из генов, кодирующих T6SS. Оказалось, что в среде, бедной питательными веществами, эта заглушка вылетает — клетка вырезает IS-элемент из генома, и тут же начинается синтез телескопических гарпунов. Это значит, что Aureispira охотится только при нехватке питательных веществ в окружающей среде, и не тратит зря ресурсы на сборку больших белковых машин для охоты. В комфортных условиях она питается просто всасывая нужные вещества из окружающей среды.
Обычно бактерии предпочитают кушать низкомолекулярные вещества. А если их не хватает и кушать нечего, то пытаются переварить какие-нибудь биополимеры: белки, крахмал и так далее, — отзывается о работе коллег Илья Манухов, заведующий лабораторией молекулярной генетики МФТИ. — Теперь мы знаем, что в микромире есть и настоящие охотники — бактерии рода Aureispira, способные загарпунить и съесть проплывающего рядом волосатого (обладающего жгутиками) собрата по микромиру. Остается удивительным, что авторы статьи не удосужились для публикации в таком престижном журнале, как Science, определить объект исследования с точностью до вида — несмотря на имеющуюся последовательность полного генома. Может, поленились швейцарские ученые? 🙂 Если это новый вид, то тем более его надо было бы описать как положено!
