Ученые обнаружили ген, необходимый для необычного образа жизни крошечных бактерий, живущих на поверхности более крупных бактерий. Бактерии-компаньоны — загадочная группа крошечных микроорганизмов, чей образ жизни неуловим. Хотя ученые могут культивировать лишь некоторые из этих видов, они являются частью разнообразного семейства, встречающегося во многих средах.
На фотографии, сделанной на сканирующей электронной микросхеме, показаны маленькие фиолетовые клетки коринебактерий, растущие на поверхности гораздо более крупной клетки. Новое исследование, проведенное лабораторией Джозефа Мугуса в Медицинском центре Университета штата Вашингтон в Сиэтле, раскрывает их жизненный цикл, гены и некоторые молекулярные механизмы, лежащие в основе их необычного образа жизни. Этими эпифитными бактериями являются Southlakia epibionticum. Изображение предоставлено: Яси Ван, ВайПанг Чан и Скотт Брасуэлл/Вашингтонский университет
Немногие виды коринебактерий, которые исследователи смогли вырастить в лаборатории, живут на поверхности клеток другого, более крупного микроба-хозяина. У коринебактерий обычно отсутствуют гены, необходимые для создания многих молекул, необходимых для жизни, таких как аминокислоты, входящие в состав белков, жирные кислоты, образующие мембраны, и нуклеотиды в ДНК. Исследователи предположили, что рост многих беспозвоночных зависит от других бактерий.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Cell, исследователи впервые раскрыли молекулярные механизмы, лежащие в основе необычного образа жизни Corynebacterium. Этот прорыв стал возможен благодаря открытию способов генетического манипулирования этими бактериями — достижение, которое открывает мир возможных новых направлений исследований.
Нитин С. Балига из Института системной биологии в Сиэтле сказал: «Хотя метагеномика может сказать нам, какие микробы живут в наших телах, сами по себе последовательности ДНК не дают нам понимания того, насколько полезна или вредна их активность, особенно для организмов, которые никогда ранее не были охарактеризованы. "
Он добавил: «Способность генетически разрушать коринебактерии открывает возможность применить мощную линзу системного анализа для быстрой характеристики уникальной биологии облигатного перифитона». TAG PH20
Команду, проводившую исследование, возглавляла лаборатория Джозефа Мугуса на кафедре микробиологии Медицинской школы Вашингтонского университета и Медицинского института Говарда Хьюза.
Это одна из многих неизвестных бактерий, чьи последовательности ДНК появились в ходе крупномасштабного генетического анализа геномов, обнаруженных в богатых видами микробных сообществах из источников окружающей среды. Этот генетический материал был назван «микробной темной материей», поскольку о функциях, которые он кодирует, известно очень мало.
В документе Cell отмечается, что микробная темная материя может содержать информацию о биохимических путях, имеющую потенциальное биотехнологическое применение. Это также дает ключ к пониманию молекулярной активности, поддерживающей микробные экосистемы, и клеточной биологии различных видов микробов, которые собираются в этой системе.
Коринебактерия, проанализированная в этом последнем исследовании, принадлежит к группе Saccharibacteria. Они живут в различных наземных и водных средах, но наиболее известны тем, что обитают в ротовой полости человека. Они были частью микробиома полости рта человека, по крайней мере, с эпохи мезолита и принимали участие в здоровье полости рта человека.
В ротовой полости человека Saccharibacterium нуждается в сотрудничестве с актиномицетами, которые являются их хозяевами. Чтобы лучше понять, как дрожжи взаимодействуют со своим хозяином, исследователи использовали генетические манипуляции, чтобы идентифицировать все гены, необходимые для роста дрожжей.
Могус, профессор микробиологии, сказал: «Мы очень рады получить предварительное понимание функции необычных генов, переносимых этими бактериями. Сосредоточившись на этих генах в будущем, мы надеемся разгадать тайну того, как гликобактерии используют бактерии-хозяева для роста».
Возможные факторы взаимодействия с хозяином, выявленные в ходе исследования, включают структуры клеточной поверхности, которые могут помочь Saccharibacterium прикрепляться к клеткам-хозяевам, а также специализированные системы секреции, которые могут использоваться для транспортировки питательных веществ.
Другое применение работы авторов – получение дрожжевых клеток, экспрессирующих флуоресцентные белки. Используя эти клетки, исследователи выполнили покадровую микрофлуоресцентную визуализацию Saccharibacterium, растущей рядом с бактериями-хозяевами.
S. Брук Петерсон, старший научный сотрудник лаборатории Мугерса, отметил: «Покадровая визуализация культур клеток-хозяев Saccharobacterium показывает удивительную сложность жизненного цикла этих необычных бактерий».
Исследователи сообщают, что некоторые дрожжи служат материнскими клетками, прикрепляясь к клеткам-хозяевам и неоднократно отпочковываясь, производя небольшое потомство. Эти маленькие ребята продолжают искать новые клетки-хозяева. Некоторые потомки, в свою очередь, становятся материнскими клетками, в то время как другие, по-видимому, бесполезно взаимодействуют со своими хозяевами.
Исследователи полагают, что дополнительные исследования генетических манипуляций откроют дверь к более широкому пониманию роли того, что они называют «богатым резервуаром микробной темной материи, содержащейся в этих организмах», и потенциально раскроют биологические механизмы, которые еще не были вообразимы.