Нежный, но прожорливый морской слизень Elysia rufescens пасется, как корова, на ярко-зеленых пучках водорослей, копаясь вокруг в поисках самых отборных кусочков.
Но этот морской моллюск длиной в дюйм получает не только вкусную еду, но и глотает защитные химические вещества водорослей, которые слизень затем может использовать против своих собственных хищников.
В новом исследовании команда из Принстона обнаружила, что эти токсичные химические вещества происходят из недавно идентифицированных видов бактерий, живущих внутри водорослей. Команда обнаружила, что бактерии стали настолько зависимы от водорослей, что не могут выжить самостоятельно. В свою очередь, бактерии тратят по меньшей мере пятую часть своих метаболических усилий на создание ядовитых молекул для хозяина.
Переплетенная история этих трех персонажей - морского слизняка E. rufescens, морских водорослей рода Bryopsis и недавно обнаруженных бактерий - образует трехсторонние симбиотические отношения. Симбиотические отношения - это отношения, в которых несколько организмов тесно взаимодействуют. В этом примере слизняк получает пищу и защитные химические вещества, водоросли получают химические вещества, а бактерии получают дом и бесплатное питание на всю жизнь в виде питательных веществ от своих хозяев-водорослей.
«Это сложная система и очень уникальные отношения между этими тремя организмами», - сказал Мохамед Дония, доцент кафедры молекулярной биологии Принстонского университета и старший автор исследования. «Последствия велики для нашего понимания того, как бактерии, растения и животные формируют механистические зависимости, когда биологически активные молекулы выходят за пределы первоначального производителя и в конечном итоге достигают и приносят пользу сети взаимодействующих партнеров."
Исследователи из Принстона и Института морских и экологических технологий Центра экологических наук Университета Мэриленда раскрыли эту историю, используя мощные геномные методы, чтобы расшифровать, кто чем занимается в отношениях. Они секвенировали коллективную геномную информацию слизней, водорослей и их микробиомов, которые представляют собой бактерии, живущие внутри этих организмов. Затем они использовали компьютерные алгоритмы, чтобы выяснить, какие гены принадлежат какому организму. С помощью этого метода они идентифицировали новые виды бактерий и связали их с производством токсинов.
Команда обнаружила, что вид бактерий, который они назвали Candidatus Endobryopsis kahalalidefaciens, производит около 15 или около того различных токсинов, известных как кахалалиды. Известно, что эти химические вещества отпугивают окружающих рыб и других морских животных. По крайней мере, один из кахалалидов был оценен как потенциальное лекарство от рака из-за его сильной токсичности.
Исследователи также обнаружили, что бактерии навсегда пожертвовали своей независимостью ради жизни в безопасности, поскольку они больше не обладают генами, необходимыми для выживания вне водорослей. Вместо этого примерно пятая часть генома бактерии направлена на выкачивание токсичных молекул, которые не дают хищникам съесть дом бактерии.
Один из хищников, который может поедать токсины, - это слизняк E. rufescens. Слизень хранит их, создавая химический арсенал, который в десять раз более концентрирован, чем токсины в водорослях.
Один из вопросов, который задавала команда, заключался в том, приобретает ли слизняк не только химические вещества, но и саму фабрику - бактерии. Но они обнаружили, что слизень не сохраняет проглоченные бактерии, а скорее переваривает их как пищу, оставляя только химические вещества.
Elysia rufescens, названная в честь своего красноватого оттенка, обитает в теплых мелководьях в различных местах, включая Гавайи, где исследователи собрали слизней. Elysia принадлежит к семейству «слизней, работающих на солнечной энергии», названных так потому, что они изолируют, наряду с защитными химическими веществами, механизм фотосинтеза водорослей, производящий энергию, что делает их одними из немногих животных в мире, которые создают свои собственные питательные вещества из солнечного света..
Дония заинтересовалась тем, как водоросли создают химическую защиту, потому что некоторые другие морские организмы, такие как губки и оболочники, используют бактериальных симбионтов для выработки токсинов. Он решил изучить химическую структуру токсинов и обнаружил, что их структура предполагает, что они были созданы бактериями или грибами.
За помощью он обратился к Расселу Хиллу, профессору Центра экологических наук Мэрилендского университета и мировому эксперту по морской экологии, в том числе и по этой системе. Хилл и его тогдашняя аспирантка Жанетт Дэвис помогали Донии и исследователям с докторской степенью в Принстоне Джиндун Зану, Чжиюань Ли и Марии Диарей Тианеро в сборе водорослей и слизней на Гавайях. Зан и Ли являются соавторами исследования.
«Наше сотрудничество, основанное на работе коллег и под руководством Мохамеда, наконец-то разрешило давнюю тайну истинного производителя соединений кахалалида», - сказал Хилл. «Теперь мне так приятно понять удивительную бактерию и пути ее синтеза, которые синтезируют эти сложные соединения».
Команда сравнила бактерии с фабрикой, потому что организм потребляет сырье в виде аминокислот, получаемых из водорослей, и выпускает готовый продукт в виде токсичных химикатов.
Эта тема специализированных бактериальных симбионтов, которые эволюционировали, чтобы выполнять одну функцию - производить защитные молекулы для хозяина в обмен на защищенное жизненное пространство - кажется удивительно распространенной в морской среде, от водорослей до оболочников и губок., сказала Дония.
Это уже вторая такая связь, обнаруженная командой. Их предыдущее исследование, опубликованное 1 апреля в журнале Nature Microbiology, выявило бактерию, которая живет в симбиозе с морскими губками и вырабатывает токсины, которые защищают губку от хищников.
«Самое странное, что губка на самом деле развила особый тип клеток, который мы назвали «хемобактериоцитами», полностью предназначенный для содержания и поддержания культуры этой бактерии», - сказал Дония. «Это очень странно, учитывая небольшое количество специализированных клеток губки в целом. Опять же, бактерия не может производить субстраты и не может жить самостоятельно».