Раскрытие секретов микробной темной материи: загадочный мир патескибактерий

 Ученые обнаружили гены, необходимые для необычного образа жизни крошечных бактерий, живущих на поверхности более крупных бактерий.

На сканирующей электронной микрофотографии видны маленькие фиолетовые клетки Patescibacteria, растущие на поверхности гораздо более крупных клеток. Новое исследование, проведенное лабораторией Джозефа Мугоса в Университете штата Вашингтон в Сиэтле, раскрывает их жизненный цикл, их гены и некоторые молекулярные механизмы, которые могут лежать в основе их необычного образа жизни. Этими эпибиотическими бактериями являются Southlakia epibionticum. (Фото: scitechdaily.com)

Патескибактерии — загадочная группа мельчайших микробов с неуловимыми методами выживания. Хотя ученые могут культивировать лишь несколько видов этих видов, они являются частью разнообразного семейства, встречающегося во многих средах.

Те немногие виды патесцибактерий, которые исследователи могут вырастить в лаборатории, обитают на поверхности клеток другого, более крупного микроба-хозяина. У патесцибактерий, как правило, отсутствуют гены, необходимые для создания многих молекул, необходимых для жизни, таких как аминокислоты, входящие в состав белков, жирные кислоты, образующие мембраны, и нуклеотиды в ДНК. Это заставило исследователей предположить, что многие из них полагаются на другие бактерии для роста.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Cell, ученые впервые представили молекулярные механизмы, лежащие в основе необычного образа жизни Patescibacteria. Этот прорыв стал возможен благодаря открытию способа генетического манипулирования этими бактериями — достижение, открывшее мир возможных новых направлений исследований.

«Хотя метагеномика может сказать нам, какие микробы живут в наших телах и внутри них, сами по себе последовательности ДНК не дают нам понимания их полезной или вредной деятельности, особенно для организмов, которые никогда ранее не были охарактеризованы», — сказал Нитин С. Балига из Института. по системной биологии в Сиэтле, который внес в исследование множество вычислительных и системных анализов.

«Способность генетически воздействовать на патесцибактерии открывает возможность применения мощной линзы системного анализа для быстрой характеристики уникальной биологии облигатных эпибионтов», — добавил он, имея в виду организмы, которые должны жить за счет другого организма, чтобы выжить.

Команды, проводившие исследование, возглавляемые лабораторией Джозефа Мугуса на кафедре микробиологии Медицинской школы Вашингтонского университета и Медицинского института Говарда Хьюза, интересовались патескибактериями по нескольким причинам.

Они входят в число многих плохо изученных бактерий, чьи последовательности ДНК всплывают в ходе крупномасштабного генетического анализа геномов, обнаруженных в богатых видами микробных сообществах из источников окружающей среды. Этот генетический материал называют «микробной темной материей», поскольку мало что известно о функциях, которые он кодирует.

Согласно статье Cell, микробная темная материя, вероятно, содержит информацию о биохимических путях, потенциально имеющих биотехнологическое применение. Он также дает ключ к пониманию молекулярной активности, поддерживающей микробную экосистему, а также к клеточной биологии различных видов микробов, собранных в этой системе.

Группа Patescibacteria, проанализированная в этом последнем исследовании, относится к Saccharibacteria. Они обитают в различных наземных и водных средах, но наиболее известны тем, что обитают в ротовой полости человека. Они были частью микробиома полости рта человека, по крайней мере, со времен среднего каменного века и были связаны со здоровьем полости рта человека.

В ротовой полости человека Saccharibacteria нуждаются в компании Actinobacteria, которые служат их хозяевами. Чтобы лучше понять механизмы, используемые Saccharibacteria для взаимодействия со своими хозяевами, исследователи использовали генетические манипуляции, чтобы идентифицировать все гены, необходимые для роста Saccharibacterium.

«Мы чрезвычайно рады возможности впервые взглянуть на функции необычных генов, которые содержат эти бактерии», — сказал Мугас, профессор микробиологии. «Сосредотачивая наши будущие исследования на этих генах, мы надеемся разгадать тайну того, как Saccharibacteria используют бактерии-хозяева для своего роста».

Возможные факторы взаимодействия с хозяином, выявленные в ходе исследования, включают структуры клеточной поверхности, которые могут помочь Saccharibacteria прикрепляться к клеткам-хозяевам, а также специализированную систему секреции, которая может использоваться для транспортировки питательных веществ.

Еще одним применением работы авторов стало создание клеток Saccharibacteria, экспрессирующих флуоресцентные белки. С помощью этих клеток исследователи выполнили покадровую микроскопическую флуоресцентную визуализацию сахарибактерий, растущих вместе с бактериями-хозяевами.

«Покадровая визуализация культур клеток-хозяев Saccharibacteria выявила удивительную сложность жизненного цикла этих необычных бактерий», — отметил С. Брук Петерсон, старший научный сотрудник лаборатории Mougous.

Исследователи сообщили, что некоторые Saccharibacteria служат материнскими клетками, прикрепляясь к клетке-хозяину и неоднократно отпочковываясь, образуя небольшое потомство-роевик. Эти малыши отправляются на поиск новых клеток-хозяев. Часть потомства, в свою очередь, стала материнскими клетками, тогда как другие, по-видимому, непродуктивно взаимодействовали с хозяином.

Исследователи полагают, что дополнительные исследования генетических манипуляций откроют дверь к более широкому пониманию роли того, что они описали как «богатые запасы микробной темной материи, которые содержат эти организмы», и потенциально откроют еще невообразимые биологические механизмы.

Ссылка: «Генетические манипуляции с Patescibacteria обеспечивают механистическое понимание микробной темной материи и эпибиотического образа жизни» Яси Ван, Ларри А. Галлахер, Пиа А. Андраде, Энди Лю, Ян Р. Хамфрис, Сердар Туркарслан, Кевин Дж. Катлер, Марио Л. Арриета-Ортис, Яцяо Ли, Мэтью К. Рэди, Джеффри С. Маклин, Цянь Конг, Дэвид Бейкер, Нитин С. Балига, С. Брук Петерсон и Джозеф Д. Мугус, 7 сентября 2023 г., Cell.

DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.017

Этому междисциплинарному и совместному исследованию способствовал недавно созданный Центр микробных взаимодействий и микробиома (называемый аббревиатурой mim_c), которым руководит Мугус. Миссия mim_c — снизить барьеры для исследований микробиома и развивать сотрудничество посредством связей исследователей-единомышленников из разных дисциплин. Здесь mim_c стал катализатором объединения лаборатории Mougous с экспертом по микробиому полости рта Джеффри Макклином из кафедры пародонтологии Школы стоматологии UW.

Ведущими авторами этого исследования были Яси Ван и Ларри А. Галлахер с кафедры микробиологии Университета Вашингтона. Старшими авторами были Балига, Петерсон и Мугус. Биохимики Цянь Конг из Юго-Западного Техасского университета, Дэвид Бейкер и другие исследователи из Медицинского института дизайна белков Университета Вашингтона также внесли свой вклад в работу вместе с МакКлином.

Мугас и Бейкер — исследователи Медицинского института Говарда Хьюза. Мугас возглавляет кафедру Линн М. и Майкла Д. Гарви в Вашингтонском университете.

Исследование было поддержано грантами Национальных институтов здравоохранения, Национального научного фонда, Агентства по уменьшению угроз Министерства обороны, Фонда Билла и Мелинды Гейтс и Фонда Уэлча.

Источник