Коммуникация в мире прокариот.

Микробиологи располагают ныне обширным массовом данных о том, что «бактерии, как и все живые организмы, в процессе жизнедеятельности получают, обрабатывают и используют информацию об окружающем мире… Обмен информацией или ее получение от других живых объектов называется коммуникацией» (Николаев, 2000). Микроорганизмы, и в их числе бактерии, используют следующие каналы коммуникации:

Контактная коммуникация предполагает наличие межклеточных контактов различных типов – цитоплазматических мостиков (плазмодесм), участков слияния наружных мембран (у грамотрицательных бактерий) или пептидогликановых клеточных стенок (у грамположительных бактерий, см. Tetz et al., 1990, иллюстрировано: рис. 1). Выдвинута интересная гипотеза, что по цитоплазматическим мостикам, как по волноводам, могут передаваться от клетки к клетке несущие информацию электромагнитные волны различных диапазонов (Высоцкий и др., 1991). Контактная коммуникация между клетками микобактерий Myxococcus xanthus необходима для реализации поздних стадий формирования плодовых тел. Эта контактная коммуникация основана на рецепции клетками M. xanthus недиффундирующего белкового фактора С, продукта гена csgA. Межклеточные контакты формируются за счет мно­гообразных поверхностных структур, включая микрофибриллы, шишковидные выступы, эвагинаты клеточной стенки, гликокаликс, отражая "генетически детерминированную закономерность развития микробных популяций как саморегулиру­ющихся многоклеточных систем" (см. Ботвинко, 1985; Олескин и др., 2000). Мы вернемся к проблематике межклеточных контактов и «обслуживающих» их межклеточных «контактных» структур ниже в ином контексте – в связи с формированием бактериальных аналогов неиерархических сетевых структур.

Дистантная химическая коммуникация между пространственно разделенными клетками. Многие из участвующих в дистантной химической коммуникации веществ отвечают за координацию в масштабах колонии (биопленки) процессов роста и развития клеток – за кооординированнную смену стадий онтогенеза микробных культур (в терминологии, разработанной акад. Н.Д. Иерусалимским, 1952, 1963). Такие сигнальные вещества обозначаются в литературе как ауторегуляторные вещества, или ауторегуляторы и определяются как “микробные метаболиты, выделяемые всей популяцией клеток или ее частью в окружающую среду, не используемые в целях конструктивного и энергетического метаболизма, но играющие важную сигнальную роль и, таким образом, влияющие на физиологическое состояние и репродуктивные способности организмов» (Эль-Регистан и др., 1979). Так, установлено (Пшеничнов и др., 1975; Вахитов и др., 2003), что в период лаг-фазы и экспоненциальной фазы роста культура E. coli выделяет в среду вещества, стимулирующие рост другой культуры E. coli (аутостимуляторы), а в период замедления роста и в стационарную фазу – вещества, ингибирующие рост другой культурыэтой бактерии (аутоингибиторы).

Другой пример ауторегуляторов -- вырабатываемые микробными популяциями факторы d₁ (факторы анабиоза) – алкилоксибензолы и факторы d₂ (факторы автолиза) – ненасыщенные жирные кислоты (Дуда и др., 1982; Светличный и др., 1983; Плакунов, Эль-Регистан, 2004). Факторы d₁ переводят бактериальные клетки в покоящиеся состояния разной глубины (в зависимости от концентрации факторов) и повышают их стрессоустойчивость; факторы d₂ вызывают разобщение мембранного фосфорилирования, а при высоких концентрациях нарушают целостность мембран, что приводит к гибели клеток.

Детально изучены так называемые кворум-зависимые (quorum-sensing, QS) системы, ставящие под контроль плотности микробной популяции (кворума), оцениваемой по концентрации вырабатываемых всеми клетками популяции сигнальных веществ – феромонов (или аутоиндукторов), многие важные процессы (см. Fuqua et al, 1994; Kell et al., 1995; Gray, 1997; Waters, Bassler, 2005; Хмель, 2006). К этим процессам относятся: люминесценция, синтез антибиотиков и ферментных комплексов, межклеточный перенос генетической информации (трансформация, конъюгация), клеточная агрегация, секреция белков, формирование биоплёнок, споруляция, образование факторов вирулентности и др. «Бактерии образуют малые, легко диффундирующие молекулы, называемые аутоиндукторами, и когда эти сигнальные вещества достигают критической концентрации, соответствующие QS-системы активируются или репрессируются. У некоторых, но не у всех объектов, сами QS-системы регулируются по принципу положительной обратной связи (аутоиндукция)» (Duan, Surette, 2007, P.4827).

Так, у грамотрицательных бактерий в большинстве кворум-зависимых систем аутоиндукторами (феромонами) служат ацилированные гомосеринлактоны. Эти вещества связываются c R-белками, и полученный комплекс активирует транскрипцию генов, отвечающих за кворум-зависимые процессы, перечисленные выше. Феромоны активируют также транскрипцию ферментов, катализирующих синтез самих феромонов. Если плотность бактериальных клеток достаточно высокая, то бактерии предпринимают те или иные коллективные действия. Например, морские бактерии Vibrio fischeri и V. harveyi начинают светиться.

У грамположительных бактерий распространены quorum-sensing системы, в которых роль феромонов (аутоиндукторов) играют пептиды, которые могут быть линейными или включать в себя тиолактоновое кольцо. Эти QS-системы являются двухкопонентными: содержат сенсорную гистидиновую киназу, которая в ответ на связывания феромона фосфорилирует второй компонент системы – белковый регулятор ответа. Запускается каскад киназ, в конечном счете фосфорилирующий и тем самым активирующий белок, который индуцирует транскрипцию определенного оперона ДНК. Например, у клинически важного «золотистого стафилококка» Staphylococcus aureus подобная QS-система регулирует синтез токсинов, факторов адгезии и колонизации, протеаз и других важных для инфекционного процесса компонентов.

Многие из изученных бактерий одновременно содержат несколько QS-систем (например, у V. harveyi свечение находится под контролем трех QS-систем). QS-системы вступают в разнообразные взаимоотношения между собой. Они могут функционировать параллельно или последовательно, могут конкурировать или противодействовать друг другу. Так, опасная для человека синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa вырабатывает факторы вирулентности – вещества, необходимые для внедрения в организм хозяина и разрушения его тканей – под контролем по крайней мере двух последовательно действующих QS-систем (LasI-LasR и RhlI-RhlR). Функционирование системы LasI-LasR приводит к запуску системы RhlI-RhlR (Waters, Bassler, 2005).

Как грамотрицательные, так и грамположительные бактерии используют в качестве феромонов также фураноны. Если гомосеринлактоны и пептиды видоспецифичны, то фураноны воспринимаются как сигналы представителями разных видов бактерий и, по-видимому, служат для межвидового общения в микробных ассоциациях (см. обзоры Олескин и др., 2000; Волошин, Капрельянц, 2004; Waters, Bassley, 2005; Хмель, 2006). В частности, фуранон АИ-2, выступает как почти универсальный регулятор в бактериальном мире: он регулирует свечение у Vibrio harveyi, вирулентность возбудителя холеры Vibrio cholerae и других патогенов (Streptrococcus pyoegenes, патогенных штаммов E. coli), спорообразование у Bacillus subtilis и другие процессы у различных бактерий (см. Waters, Bassler, 2005; Хмель, 2006).Впрочем, у бактерии Salmonella tyhimurium имеется свой особый фуранон, который, в отличие от АИ-2, не содержит атома бора.

Соединения, напоминающие сигнальные агенты плотностно-зависимых систем прокариот, могут вырабатываться эукариотическими клетками как конкурентами или антагонистами прокариотов. “Зная” об информационных функциях подобных химических веществ у прокариот, эукариоты, вероятно, создают своего рода “дезинформационные помехи”, “сбивая с толку” бактериальные клетки. Возможно, именно поэтому, например, галогенированные фураноны – близкие аналоги бактериальных феромонов – образуемые красной водорослью р. Delysea, представляют собой эффективные антимикробные агенты (Givskov et al., 1996).

Немаловажную роль в микробной коммуникации, по-видимому, играют биогенные амины (с нейромедиаторной и гормональной функциями у животных), такие как серотонин, норадреналин, дофамин, гистамин. Установлено, что серотонин стимулирует рост у дрожжей Candida guillermondii (Страховская и др., 1993)и бактерий Enterococcus faecalis (Страховская и др., 1993), Rhodospirillum rubrum (Олескин и др., 1998) и E. coli, у которой он также стимулирует агрегацию клеток («микробную социальность») и формирование межклеточного матрикса (Олескин и др., 1998).Серотонинспособствует формированию цист у миксобактерий Polyangium sp., а в высоких концентрациях снижает мембранный потенциал (Олескин и др., 1998). Впоследствии была продемонстрирована стимуляция роста E. coli и дрожжей S. cerevisiae, дофамином и в незначительной мере норадреналином (Кагарлицкий и др., 2003; Анучин и др., 2007). В случае E. coli испытан также гистамин и показан его ростстимулирующий эффект. Продемонстрировано, что дофамин уменьшает, а норадреналин, секротонин и гистамин увеличивают количество клеточный агрегатов, спаянных матриксом, в колониях E. coli (Анучин и др., 2007; Oleskin, 2007).Поскольку все эти вещества обнаружены в нативной биомассе той же бактерии (Цавкелова и др., 2000), то представляется вполне вероятной ауторегуляторная роль этих веществ как ингибиторов (дофамин) или стимуляторов (остальные тестированные амины) бактериальной социальности. Норадреналин, дофамин, адреналин стимулируют рост энтеропатогенных бактерий. Они индуцируют рост бактерий на средах с сывороткой при низкой норме инокулята (т.е. малом количестве засеваемых в культиватор бактериальных клеток), которые не растут в этих условиях без добавления аминов (Lyte, Ernst, 1993; Burton et al., 2002; Freestone et al., 2007).

Дистантная физическая коммуникация. В дистантной передаче информации между клетками бактерий предполагается участие электромагнитных и звуковых волн разных диапазонов. Еще в 20-30-е годы ХХ века в нашей стране А.С. Гурвич и его сотрудники изучали «митогенетические лучи» (ультрафиолетовое излучение), кванты которого испускаются живыми клетками и стимулируют деление других клеток, в том числе и бактериальных. Так, ультрафиолетовое излучение дрожжей р. Nadsonia повышает плотность клеток в облучаемых культурах бактерий р. Bacillus (Sewertzowa, 1929).

Ю.А. Николаев показал, что гибнущая под воздействием хлорамфеникола культура Vibrio costicola посылает сигнал, стимулирующий рост другой культуры, отделенной от неё слоем кварцевого стекла (Николаев, 1992). Через несколько лет сходные данные были представлены группой японских ученых (Matsuhashi et al., 1996a, b). Природа передающих информацию факторов не установлена. Ю. Николаев предполагает вклад электромагнитных волн разных диапазонов; японские ученые – роль ультразвуковых волн. В последующих работах Николаева продемонстрировано синергидное(взаимоусиливающее) действие различных каналов межклеточной коммуникации, а именно химических сигналов и физических полей; это вытекает из опытов по влиянию одной бактериальной культуры (Pseudomonas fluorescens) на адгезивные свойства другой культуры того же вида (Николаев, Проссер, 2000 и другие публикации Николаева).

В свете приведенных фактов возникает, однако, вопрос, позволяет ли микробная коммуникация создавать структурированные биосоциальные системы, отделенные и противопоставленные окружающей среде. Если каждый муравейник, например, «знает свои границы», то есть микробные аналоги характерного для животных (растений, грибов) феномена «различения своих от чужих»?

Обращаясь к накопленным в микробиологии данным, мы можем констатировать: «коммуникация коммуникации рознь». Есть в микробном мире передача сообщений всем представителям данного вида и коммуникация между представителями разных видов и даже царств живого (пример представляют рассмотренные выше фураноны).

Тем не менее, есть и микробные сигналы, преимущественно распространяемые в пределах только данной колонии (биоплёнки, флока, мата или иной микробной надклеточной системы).

Немаловажную роль в ограничении радиуса действия коммуникативных сигналов, вероятно, играют межклеточные биополимеры (матрикс). Матрикс обволакивает микробные системы и представляет собой гидрофильную среду для распространения экзометаболитов и продуктов автолиза клеток, включая химичес­кие сигнальные вещества, в том числе служащие для оценки плотности собственной популяции (quorum sensing, см. выше). В ряде случаев сигнальные вещества присутствуют в супернатанте микробной культуры лишь в незначительных концентрациях, поскольку задерживаются в матриксе, где и выполняют свою функцию; здесь необходимо подчеркнуть, что мно­гие виды бактерий сохраняют надклеточную орга­низацию и соответственно внеклеточный матрикс и при культивировании на жидких средах. Именно в матриксе нами были детектированы биогенные амины (дофамин, норадреналин) как предполагаемые сигнальные агенты в популяции Bacuillus subtilis M (Цавкелова и др., 2000). Ниже мы вернемся к межклеточному матриксу и его функциям.

Помимо коммуникации как таковой, структурирование и обособление микробных биосоциальных систем связано также с явлением взаимной изоляции колоний (биопленок и др.). Подобно животным, микроорганизмы проявляют избирательную афилиацию к «товарищам по коллективу» Эти социальные феномены мы уже кратко рассмотрели в предшествующем разделе.