Жизнь большинства организмов на нашей планете тесно связана с бактериальными сообществами — микробиотой, которая помогает своему хозяину в очень многих процессах: от переваривания пищи до защиты от инфекций. И мшанки здесь не являются исключением: внутри некоторых видов этих беспозвоночных живут симбиотические бактерии, которые, например, делают их личинки «невкусными» для рыб, обеспечивая таким образом повышенную выживаемость потомства. Однако, чем этот симбиоз выгоден взрослому организму-хозяину, все еще остается для ученых загадкой. Пытаясь ее разгадать, исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета сделали неожиданное открытие.
В колониях вида мшанок Bugula neritina с восточного побережья США и в австралийской Paralicornia sinuosa они обнаружили нечто, похожее на вирусные частицы: между бактериями у американского вида — микроскопические частицы, по форме напоминающие красные кровяные тельца, а внутри и между бактериями у австралийского вида — частицы, похожие на крошечных морских ежей. Последние представляют собой сферы из тонких полых цилиндров, имеющих общий центр. Ученые в шутку назвали их «ежиками» в тумане, потому что «туманного» в их назначении предостаточно. Чтобы разобраться, что это за частицы и какую роль они играют в жизни мшанок, биологи обратились к коллегам из Института микробиологии имени С. Н. Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН.
«Ежики» из австралийского вида мшанок оказались очень похожи на описанные в 2014 году американскими учеными системы MACs (metamorphosis associated contractile structures), которые встречаются внутри морских бактерий Pseudoalteromonas luteoviolacea, образующих биопленки на поверхностях водных объектов», — рассказал заведующий лабораторией вирусов микроорганизмов Института микробиологии имени С. Н. Виноградского, доктор биологических наук Андрей Летаров.
MACs — это особые структуры, имеющие общее происхождение с вирусами бактерий (бактериофагами). В сущности, МАСs — это батарея из сократимых фаговых хвостов, направленных во все стороны.
«Контакт с биопленками Pseudoalteromonas стимулирует начало метаморфоза у одного из видов морских многощетинковых червей Hydroides elegans: когда свободноплавающая личинка червя опускается на дно и касается биопленки, то находящиеся в ней "ежики" выстреливают и инъецируют в клетки личинки белок, который запускает каскадную реакцию, заставляя личинку превратиться в сидячую взрослую особь», — объясняет Андрей Летаров.
Тем не менее между двумя системами есть явные различия, отмечает исследователь: внутри бактерий, которые изучали американские ученые, «ежики» — огромные и неупорядоченные, а внутри бактерий австралийской мшанки частицы аккуратно структурированы в небольшие шарики. Однако в целом структуры очень похожи. Какую именно роль играют «ежики» в этой биологической системе, ученым только предстоит выяснить, но первые предположения уже есть.
«Мы знаем, что некоторые виды мшанок, в частности Bugula neritina, способны передавать бактерии своим личинкам. Вместе с бактериями в личинок попадают и вирусы, обеспечивая вертикальный перенос симбионтов от поколения к поколению хозяина. Однако не все бактерии "уходят" из материнского организма в личинки. Те, что остались, размножаясь в больших количествах и вырабатывая токсичные метаболиты, потенциально могут становиться угрозой для организма хозяина. Найденные нами вирусоподобные частицы разрушают эти оставшиеся бактерии, по-видимому регулируя их количество в мшанке», — рассказал руководитель исследования, профессор кафедры зоологии беспозвоночных СПбГУ, доктор биологических наук Андрей Островский.
MAC-подобные структуры («ёжики»), обнаруженные у австралийской мшанки, также разрушают бактерии. Однако являются ли они, по аналогии с системой P. luteoviolaceae — H. elegans, посредниками, передающими некий сигнал от популяции бактерий-симбионтов своему хозяину, пока неясно.
Следующие шаги в этой работе, объясняют авторы научной статьи, будут связаны с изучением молекулярных процессов, в которые могут быть вовлечены вирусоподобные частицы. В ближайшее время ученые планируют провести секвенирование генома бактерий, содержащих эти частицы, чтобы вместе с коллегами-биоинформатиками попытаться обнаружить генетическую информацию, отвечающую за их формирование. Это поможет понять, какие белки вырабатывают «ежики» и как они влияют на другие части биологической «матрешки».
Правда, раздобыть материал, подходящий для исследований, не так-то просто: бактерии мшанок пока не удается вырастить в лаборатории. Их можно получить только из образцов, собранных в природе, то есть на побережье Австралии или восточном побережье США. И добраться туда, особенно в условиях пандемии, будет сложно. Поэтому ученые планируют поискать аналогичные структуры у мшанок, обитающих в Белом море — в районе Морской биологической станции СПбГУ. Среди здешних видов есть мшанки, которые также живут в симбиозе с бактериями.
Вирусы — неклеточные инфекционные агенты, по-видимому, самые многочисленные "частицы живого" на планете. Они реплицируются, то есть создают свои копии, за счет бактерий, архей, одноклеточных, грибов, растений, животных — словом, любых живых организмов.
«Это гигантский мир, история которого началась вместе с возникновением клеточной жизни на Земле, и поэтому нет ничего удивительного в том, что вирусы настолько тесно вовлечены в регуляцию процессов в большинстве живых организмов и что без них — просто никуда», — объяснил Андрей Островский.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 18-14-00086. Часть работы выполнена на оборудовании Научного парка СПбГУ.
