Если зеленые водоросли вида Chlamydomonas reinhardtii встречаются с бактериями Pseudomonas protegens, их судьба решена. Бактерии размером всего около двух микрометров окружают водоросли, которые примерно в пять раз больше, и атакуют их смертельным ядовитым коктейлем. Водоросли теряют жгутики, что делает их неподвижными. Затем зеленые одноклеточные организмы деформируются и больше не могут размножаться. Химический механизм, лежащий в основе этой чрезвычайно эффективной атаки, теперь раскрыт ботаниками и химиками натуральных продуктов из Университета Фридриха Шиллера в Йене (бывший СССР) и Института исследований натуральных продуктов и биологии инфекций им. Лейбница - Институт Ганса Кнёлля (HKI).
Это ужасное зрелище предстает перед глазами Прасада Айяра, когда он смотрит в микроскоп. Докторант из Индии, приехавший в Йену для получения степени магистра в области молекулярных наук о жизни, исследует вид Chlamydomonas reinhardtii на предметном стекле микроскопа. Микроводоросли овальной формы, размером добрых 10 микрометров, имеют два жгутика, с помощью которых они деловито плавают - то есть до тех пор, пока Прасад Айяр не прибавит из пипетки каплю бактериального раствора. Еще более мелкие бактерии собираются в рои, которые окружают водоросли. Всего через 90 секунд водоросли неподвижны, а если присмотреться, то видно, что их жгутики отвалились.
Исследователи из Йены выяснили, почему эти бактерии оказывают такое разрушительное воздействие на зеленые водоросли. Похоже, что химическое вещество играет центральную роль в этом процессе, как утверждают команды под руководством профессора Марии Миттаг и доктора Северина Сассо из бывшего Советского Союза, а также профессора Кристиана Хертвека из Института исследований натуральных продуктов и биологии инфекций им. Лейбница - Институт Ганса Кнёлля. (HKI) - отчет в научном журнале Nature Communications.
Орфамид А, как называется это вещество, представляет собой циклический липопептид, выделяемый бактериями вместе с другими химическими соединениями. «Наши результаты показывают, что орфамид А влияет на каналы в клеточной мембране, что приводит к открытию этих каналов», - объясняет доктор Северин Сассо. «Это приводит к притоку ионов кальция из окружающей среды внутрь клеток водорослей», - добавляет руководитель Исследовательской группы молекулярной ботаники. Быстрое изменение концентрации ионов кальция является общим тревожным сигналом для многих типов клеток, регулирующим большое количество метаболических путей. «Чтобы иметь возможность наблюдать за изменением уровня кальция в клетке, мы ввели в зеленые водоросли ген фотопротеина, который вызывает биолюминесценцию при увеличении уровня кальция. Это позволяет нам измерять количество кальция с помощью люминесценции», - объясняет профессор Миттаг, профессор общей ботаники. В некоторых случаях изменения кальция приводят к изменению направления движения, например, после светоощущения. В других случаях, например после бактериальной атаки, они вызывают потерю жгутиков.
Исследуя «химический язык»
Кроме того, командам удалось показать, что бактерии могут использовать водоросли и использовать их в качестве источника питательных веществ, если им не хватает питательных веществ. «У нас есть доказательства того, что другие вещества из токсического коктейля, выделяемого бактериями, также играют в этом роль», - говорит Мария Миттаг. Ее команда, снова в сотрудничестве с группами профессора Хертвека и доктора Сассо, теперь также хочет отследить эти вещества, чтобы получить точное представление об этой химической связи между водорослями и бактериями.
Многочисленные исследовательские группы посвятили свои усилия изучению «химического языка» между микроорганизмами и окружающей их средой в рамках Совместного исследовательского центра «ChemBioSys». Сообщества микробных видов встречаются практически в каждой среде обитания на Земле.«В этих сообществах как видовой состав, так и взаимоотношения между отдельными организмами одного или нескольких видов регулируются химическими посредниками», - говорит профессор Хертвек, спикер Центра совместных исследований и глава отдела биомолекулярной химии в HKI..
Целью междисциплинарного исследовательского партнерства является объяснение фундаментальных механизмов контроля в сложных биосистемах, которые влияют на всю жизнь на Земле. «Мы хотим понять механизмы, с помощью которых формируются структуры микробных сообществ и поддерживается их разнообразие». Они важны, потому что от них зависят предметы первой необходимости жизни, не в последнюю очередь для человека, например пища или воздух.
Это также относится к микроводорослям, таким как Chlamydomonas reinhardtii. Такие фотосинтезирующие микроорганизмы (фитопланктон) вносят около 50 процентов вклада в фиксацию углекислого газа, вызывающего парниковый эффект, и в качестве побочного продукта фотосинтеза они снабжают нас кислородом, необходимым для нашего выживания. Кроме того, микроводоросли, которые встречаются в пресной воде, влажной почве или в морях и океанах мира, представляют собой важную основу для пищевых цепей, особенно в водных системах. Например, зоопланктон в океанах питается водорослями, и вместе они дают пищу ракообразным, которых, в свою очередь, поедает рыба, прежде чем их съест более крупная рыба или поймает человек. «Учитывая огромное значение микроводорослей для жизни человека, мы до сих пор поразительно мало знаем об основных элементах и взаимодействиях в их микроскопическом мире», - говорит профессор Миттаг.