Як бактерії керують вашим тілом - мікробіом (лютий 2021)

мікробний

Міжнародна група, до якої входять дослідники з Інституту хімічної екології Макса Планка, описала бактерію, виявлену у виду листоїдів, що має несподівану ознаку: вона забезпечує жука ферментами, необхідними для руйнування певних компонентів клітинних стінок рослин. Бактеріальний геном - це найменша послідовність з будь-якого організму, що живе поза клітиною господаря. Він містить гени, які відповідають за вироблення пектиназ, ферментів, що розщеплюють пектин, який є важливим компонентом клітинної стінки рослин. Вироблення пектиназ, отже, є основною функцією цих бактерій. Без бактеріальних симбіонтів жуки не могли отримати доступ до поживних речовин всередині рослинних клітин і, отже, не змогли б вижити. Сьогодні про дослідження повідомляється в Cell.

"Наше дослідження базувалося на гістологічних описах та кресленнях симбіотичних органів жуків, вперше опублікованих німецьким зоологом Гансом-Юргеном Штаммером більше 80 років тому. Ми хотіли молекулярно охарактеризувати надзвичайне партнерство між листовим жуком та його симбіонами, описане Штаммером як рідкісна риса ", - пояснює перший. автор Хасан Салем, колишній докторант Інституту хімічної екології Макса Планка. В даний час він є докторантом у Фонді Олександра фон Гумбольдта в Університеті Еморі в Атланті, штат Джорджія, США.

Ганс-Юрген Штаммер (1899-1968) вивчав симбіотичні партнерські відносини між комахами та бактеріями протягом 1920-х та третіх років. Він виявив, що жуки-листя (Chrysomelidae) сумно відомі тим, що не беруть участі у симбіотичних партнерствах. Однак його дослідження також виявили, що з цієї знахідки є винятки серед деяких видів черепах-жуків, таких як жук-черепаха (Cassida rubiginosa). Ці черепахи оснащені незвичайними органами, які він описав у дослідженні 1936 р. Симбіотичні бактерії знаходяться в цистернах, що нагадують мішок, в кишечнику жуків. Самки жуків передають симбіонтів через вагінальні трубки своїм нащадкам, використовуючи невеликий каплет симбіонту на кожному яйці. Личинки, які висиджуються, харчуються через яєчну шкаралупу, а потім споживають каплети, що містять симбіотичні бактерії.

Листяні жуки здатні розщеплювати компоненти клітинної стінки рослин, такі як целюлоза та пектин, використовуючи травні ферменти. Однак генетичний аналіз показав, що у жука-черепахи відсутні гени, відповідальні за вироблення відповідних ферментів (пектиназ). Нове дослідження показало, що цей дефіцит компенсується тісним партнерством з бактерією, яка знаходиться в спеціальних органах, розташованих поруч з горщиком. Щоб зрозуміти важливість бактеріальних симбіонтів для жука, автори провели ряд біологічних випробувань, деякі з яких поєднували з ферментативними вимірами. "Коли ми порівняли активність ферментів у черепах з черепахами з симбіотичними бактеріями та без симбіотичних бактерій, ми виявили, що жуки без симбіонтів не здатні перетравлювати пектин, щоб отримати доступ до поживних речовин у клітині, і, як результат, їхні шанси на виживання зменшились, "говорить Рой Кірш. з Інституту хімічної екології Макса Планка.

Генетичний аналіз симбіотичних бактерій, який науковці представляють як "Candidatus Stammera capleta" в поточному дослідженні на честь спостережень Штаммера, виявив ще одну несподіванку: геном мікроорганізму скорочується до кількох сотень генів, включаючи деякі гени, які регулюють вироблення пектинази і транспорт. Відповідно, геном невеликий: містивши лише 270 000 пар основ, бактеріальний геном є найменшим із коли-небудь описаних для організму, який існує поза клітиною хазяїна. У бактерій кишкової палички в 4, 6 мільйона або в 17 разів більше пар основ в порівнянні з бактеріями, які живуть усередині кишечника багатьох тварин, включаючи людей. Відомо, що лише деякі бактерії, що знаходяться всередині клітин хазяїна, мають геноми менших розмірів, ніж символи жуків.

Симбіоз між жуком та його симбіотом характеризується чітким розподілом праці. "Селекціонер жуків має гени, відповідальні за виробництво целюлаз для перетравлення целюлози, тоді як симбіонт забезпечує пектинази, разом вони мають необхідні ферменти для руйнування клітинної стінки рослин, особливо примітним є перший опис спеціалізованого бактеріального симбіонту з первинним або навіть унікальна функція деградації. пектин », - резюмує Хасан Салем.

Настільки багато рослиноїдних тварин, що існують сьогодні, є результатом адаптацій, які еволюціонували з часом. Мікроорганізми відігравали важливу роль у багатьох таких видах лікування. Черепаха-жук є вражаючим прикладом. Без пектиназ вона не мала б доступу до поживних речовин всередині клітини рослини. Виробництво цих ферментів було надано зовнішньому постачальнику послуг: бактерії, яка живе в спеціальних органах поблизу кишечника.