Все живые организмы реагируют и приспосабливаются к изменениям в окружающей среде. Эти реакции иногда настолько значительны, что вызывают изменения во внутренних метаболических циклах организма - процесс, называемый «метаболическим переключением». Например, рисовый пирикуляриоз - патогенный вид грибка, вызывающий «рисовую пирикуляриозную» инфекцию в посевах риса - переключается на «глиоксилатный цикл», когда источник питательных веществ начинает истощаться. Другая реакция на изменение окружающей среды называется «дифференциацией клеток», когда клетки полностью переключаются на другой тип. Например, при пирикуляриозе риса клетки гриба дифференцируются и создают большое давление на клеточную стенку, заставляя грибок развивать специализированную структуру, называемую «апрессорий», которая в конечном итоге способствует заражению. Такие методы адаптации наблюдались у разных организмов, но как именно они происходят, пока не очень ясно.
В недавнем исследовании, опубликованном в iScience, группа исследователей из Токийского университета науки под руководством профессора Такаши Камакура впервые обнаружила, что чрезвычайно низкие концентрации уксусной кислоты изменяют клеточные процессы в рисовом пирикуляриозе. Их исследования основывались на том факте, что Cbp1 - белок, способный удалять ацетильные группы из хитина (основного компонента клеточной стенки грибов) - играет огромную роль в образовании апрессорий, превращая хитин в хитозан и высвобождая уксусную кислоту. Объясняя цель исследования, профессор Камакура говорит: «Метаболическое переключение в среде с дефицитом питательных веществ зависит от изменений в источнике питательных веществ, но его механизм до сих пор оставался плохо изученным. Поскольку было известно, что хитин вызывает последующую реакцию сопротивления (иммунный ответ), мы предположили, что функция Cbp1 позволяет избежать узнавания растениями. Кроме того, поскольку ферментативная активность Cbp1 влияет на дифференцировку клеток, мы предположили, что продукт реакции деацетилирования хитина с помощью Cbp1 может быть сигналом для дифференцировки клеток».
Для своего исследования ученые использовали мутантную форму грибка, который не производил Cbp1 и, следовательно, не мог образовывать апрессорий, так как не мог производить уксусную кислоту из хитина. Ученые заметили, что при добавлении мизерных концентраций уксусной кислоты, даже таких низких, как сто молекул на грибковую спору, у мутантов восстанавливалось образование апрессория. Это означало, что уксусная кислота может действовать как химический сигнал, запускающий дифференцировку клеток. Затем, чтобы лучше понять роль уксусной кислоты в глиоксилатном цикле, исследователи сосредоточились на ферменте, уникальном для этого метаболического пути: изоцитратлиазе. Они обнаружили, что мутантные формы грибка имеют гораздо более низкие уровни этого фермента, а это означает, что они не могут переключиться на глиоксилатный цикл. Но, как было показано ранее, добавления уксусной кислоты в чрезвычайно низкой концентрации было достаточно, чтобы восстановить нормальные уровни фермента и, таким образом, вызвать образование апрессория. «Наше исследование впервые выявило новую роль уксусной кислоты в метаболическом переключении и клеточной дифференцировке в эукариотических клетках», - отмечает профессор Камакура.
Интересно, что эти результаты показывают, что использование молекул хитина из их собственной клеточной стенки может быть стратегией выживания, используемой несколькими типами бактерий и грибов. Это позволило бы им процветать в среде, лишенной питательных веществ, например, на поверхности листа-хозяина, и избегать механизмов защиты/иммунитета хозяина. Затем уксусную кислоту можно было бы использовать как в качестве источника углерода, так и в качестве сигнала для запуска метаболического переключения и дифференцировки клеток. Профессор Камакура объясняет: «Использование уксусной кислоты, полученной из собственной клеточной стенки патогена, для активации глиоксилатного цикла, возможно, является общим механизмом различных инфекционных процессов».
Вывод о том, что чрезвычайно низкие концентрации небольшой простой молекулы, такой как уксусная кислота, могут вызывать значительные изменения в клеточных процессах, является беспрецедентным и ранее был известен только для определенных гормонов у животных. Понимание этого типа межвидовых химических взаимодействий может оказаться чрезвычайно ценным в сельском хозяйстве, биоинженерии и медицине, если назвать несколько областей. Профессор Камакура заключает: «Еще предстоит выяснить, характерно ли это явление для других организмов. Но, поскольку метаболиты, такие как масляная кислота, полученные из кишечных бактерий человека, участвуют в активации иммунных клеток и прогрессировании рака, наши результаты имеют значение в широком спектре самых разных областях, включая медицину и сельское хозяйство."