Разглядывая электронные микрофотографии чистой культуры массовой морской цианобактерии Prochlorococcus (рис. 1; см. подробнее об этих бактериях: Partensky et al., 1999. Prochlorococcus, a marine photosynthetic prokaryote of global significance), биологи из Массачусетского технологического института (MIT) обратили внимание на многочисленные сферические структуры диаметром около 70–100 нм. Сами прохлорококки примерно в 10 раз больше (рис. 2).

Рис. 2. Прохлорококки производят мембранные пузырьки. А — пузырьки (отмечены стрелками) в монокультуре цианобактерий Prochlorococcus, длина масштабной линейки 1 мкм. B — очищенная фракция мембранных пузырьков, длина масштабной линейки 0,1 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи

Выделив из культуры фракцию объектов с диаметром менее 200 нм и всесторонне ее изучив, авторы убедились, что там действительно присутствует множество пузырьков, окруженных липидными мембранами. Ученые проверили все шесть существующих чистых культур прохлорококков, одни из которых приспособлены к сильному освещению (то есть к жизни в приповерхностных водах), а другие обходятся тусклым освещением на глубине до 100–200 м. Оказалось, что все шесть штаммов активно производят мембранные пузырьки. Более того, их производят также и представители второго по численности рода морских цианобактерий, Synechococcus.

Таким образом, оба главных продуцента олиготрофных океанских вод выделяют в окружающую среду органику, аккуратно упакованную в маленькие липидные капсулы. Учитывая огромную численность этих бактерий, логично предположить, что мембранные пузырьки, производимые ими, играют немалую роль в круговороте веществ в океане. Данное открытие сопоставимо с недавним обнаружением огромной роли вирусов в биосферных круговоротах веществ, энергии и генов (см.: В океане обнаружены сотни тысяч новых видов вирусов, «Элементы», 10.11.2006).

Эксперименты с культурами прохлорококков показали, что они производят пузырьки практически постоянно, причем за сутки (что примерно соответствует одному поколению) каждая клетка успевает отпочковать от двух до пяти пузырьков. В глобальном масштабе это дает 10²⁷–10²⁸ пузырьков в сутки общей массой порядка миллиона тонн.

В состав пузырьков входят липиды и липополисахариды — обычные компоненты наружной мембраны грамотрицательных бактерий, а также разнообразные белки. Кроме того, в них есть молекулы ДНК и РНК. Среди первых встречаются обрывки разной длины — от нескольких десятков пар оснований до трех тысяч и более. В таких крупных фрагментах ДНК может поместиться по 2–3 белок-кодирующих гена. Авторы отсеквенировали фрагменты ДНК, выделенные из ~10¹¹ пузырьков, и обнаружили копии разных участков хромосомы прохлорококка, покрывающие в общей сложности более половины генома. Как синтезируются эти молекулы и как попадают в пузырьки, пока неясно. Среди молекул РНК, выделенных из пузырьков, нашлись транскрипты 95% белок-кодирующих генов Prochlorococcus.

На других (нефотосинтезирующих) бактериях ранее было показано, что производство мембранных пузырьков способствует горизонтальному переносу генов от одних микробов к другим. Скорее всего, к прохлорококкам это тоже относится, судя по высокому содержанию ДНК в пузырьках.

Авторы провели целенаправленный поиск мембранных пузырьков в пробах морской воды из прибрежных (эвтрофных) и олиготрофных районов Атлантики. В пробах обнаружились многочисленные пузырьки, очень похожие на те, что производятся прохлорококками. Численность пузырьков коррелирует с численностью бактерий: оба показателя синхронно убывают с ростом глубины и снижением эвтрофности вод. Как и положено мембранным пузырькам бактериального происхождения, они окружены липидными мембранами и не имеют внутренней структуры.

Авторы провели метагеномный анализ (см. Метагеномика) содержащихся в пузырьках молекул ДНК и обнаружили геномные фрагменты, принадлежащие множеству разных бактерий, архей и эукариот, причем бактериальные последовательности доминируют. Большинство фрагментов принадлежит цианобактериям, протеобактериям и Bacteroidetes. Эти факты свидетельствуют о том, что выделение органики в форме мембранных пузырьков широко распространено среди морских микробов.

Прохлорококки живут в олиготрофных водах, где питательные вещества в большом дефиците. У этих цианобактерий есть специальные адаптации, направленные на экономию азота и фосфора (например, они в ряде случаев используют сульфолипиды вместо фосфолипидов, а в белках понижено содержание азота). Почему же они тратят ресурсы на производство пузырьков, наполненных ценной органикой? Очевидно, это должно давать весомые адаптивные преимущества. Может быть, прохлорококки таким способом «подкармливают» гетеротрофных бактерий, присутствие которых, как было показано ранее, благоприятно сказывается на их росте? Чтобы проверить это предположение, авторы попытались выращивать гетеротрофных морских бактерий в среде, где единственным источником углерода были произведенные прохлорококками мембранные пузырьки. Опыт удался: микробы охотно росли на таком корме. Тем самым было доказано, что пузырьки могут служить пищей другим микробам.

Еще одна гипотеза о возможном адаптивном значении пузырьков тоже получила красивое, хотя и косвенное, экспериментальное подтверждение. Исследователи предположили, что пузырьки могут служить своебразными ловушками для вирусов — бактериофагов, которых очень много в океане и которые являются важнейшим фактором смертности морских бактерий. Ведь пузырьки покрыты наружной мембраной прохлорококка, а на их поверхности находятся те же самые мембранные белки, которые используются фагами для распознавания своих жертв.

Для проверки своей гипотезы авторы смешали цианофагов PHM-2 (эти фаги успешно инфицируют прохлорококков) с очищенной фракцией мембранных пузырьков, произведенных прохлорококками. Смесь затем исследовали при помощи электронной микроскопии и обнаружили множество фагов, прикрепишихся к пузырькам (рис. 3). У многих из них ножки были сокращены, а капсиды изменили окраску. Это значит, что фаг поддался на обман и действительно «заразил» пузырек, впрыснув в него свою ДНК. Теперь этот фаг уже не сможет навредить живой бактерии: ловушка сработала!

Рис. 3. Фаги, «заражающие» мембранные пузырьки. Длина масштабной линейки 0,1 мкм. Фото из обсуждаемой статьи и дополнительных материалов к ней

Дальнейшие исследования покажут, действительно ли пузырьки служат эффективной защитой от фагов в природе и получают ли прохлорококки какие-то дополнительные преимущества от производства пузырьков. Так или иначе, открытие американских ученых существенно дополняет представления о функционировании морских микробных сообществ. Постоянное выделение органики доминирующими продуцентами в виде компактных, концентрированных, упакованных в мембраны порций (в противоположность ее растворению в крайне разбавленной олиготрофной водной среде) должно сильно влиять на структуру пищевых цепей, химическую коммуникацию и генетический обмен между микроскопическими обитателями океана. Это, в свою очередь, не может не сказываться на более крупных организмах и общебиосферных круговоротах вещества и энергии.

Источник: Steven J. Biller, Florence Schubotz, Sara E. Roggensack, Anne W. Thompson, Roger E. Summons, Sallie W. Chisholm. Bacterial Vesicles in Marine Ecosystems // Science. 2014. V. 343. P. 183–186.

См. также:
В океане обнаружены сотни тысяч новых видов вирусов, «Элементы», 10.11.2006.

Александр Марков

Источник: www.elementy.ru