биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Археи «хамят» и помогают

[3 сентября, 2015 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В 2001 году группа ученых под руководством Кристиана Рудольфа сообщила об открытии нового вида архей. За полтора десятка лет этот вид обрел свое название, а у ученых прибавилось работы. Причем у всех: от филологов до нанотехнологов. Чем же так привлек внимание специалистов этот скромный обитатель европейского водоема?

Обратите внимание!

Эта работа опубликована в номинации «лучшее новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2015.


Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.


Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Трудности перевода

Археи, удостоенные чести быть выделенными в отдельный домен наряду с бактериями и эукариотами [1], не перестают удивлять ученых. Казалось бы, что еще: необычная структура биомембран, способность к существованию в горячих (щелочных, соленых — нужное подчеркнуть) источниках и водоемах* [2], разнообразие типов строения клеточной стенки вплоть до ее отсутствия (рис. 1) [3]? На первый взгляд, вся «экзотика» уже известна. Но так только кажется.

* — Значительный, если не определяющий, вклад в выживаемость архей в широком спектре условий (вплоть до экстремальных) внесли их уникальные мембраны, характеризующиеся высокой плотностью упаковки, отсутствием фазового перехода в широком диапазоне температур, низкой проницаемостью для воды и ионов и т.д. А для поддержания такой исключительной мембранной кондиции археям нужно было выбрать «правильные» липиды: «Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей» [4]. — Ред.

Строение клеточной стенки у архей

Рисунок 1. Варианты строения клеточной стенки у разных архей. Клеточные стенки архей чрезвычайно разнообразны как по структуре, так и по химическому составу. Характерной поверхностной структурой является S-слой (SL) — своего рода «покрывало» из гликопротеинов, заякоренных в мембране клеток (СМ). У некоторых архей S-слой может дополняться еще одним белковым слоем (PS) — как у Methanospirillum — или отсутствовать. Крайний случай — наличие второй, наружной, мембраны (ОСМ) — как у персонажа этой статьи. Прочие сокращения: GC — гликокаликс; GG — глутаминилгликан; HP — гетерополисахарид; LP — липогликан; MC — метанохондроитин; PM — псевдомуреин. Рисунок из [3], с изменениями.

Всё началось с малоприметной статьи в журнале Applied and Environmental Microbiology, в которой сообщалось об обнаружении новой кокковой формы архей [5]. По месту находки — болоту Зиппенауэр (Sippenauer Moor) в Баварии — микроорганизм назвали SM1. Оказалось, что обитатель холодных придонных вод на глубинах до 25-35 м довольно привередлив: долгое время не удавалось вырастить его в лабораторных условиях. С одной стороны, некультивируемые бактерии — не редкость в мире прокариот [6, 7]. В большинстве случаев таких неуловимых «новичков» удается идентифицировать методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) [8, 9], но здесь исследователей интересовала только чистая культура. Поэтому в ход пошли даже полиэтиленовые сети, специально погружавшиеся на дно водоема и игравшие роль огромных чашек Петри. Наконец в 2005 году труды ученых увенчались успехом: новый вид-кандидат был подробно охарактеризован в составе биоплёнки, но самое главное открылось позднее. На электронных микрофотографиях биологи заметили сотни длинных, до 6–7 мкм, отростков, отходящих от клеток в разные стороны (рис. 2).

Археи в составе биоплёнки

Рисунок 2. Археи Ca. A. hamiconexum в составе биоплёнки. Клетки выглядят «опушёнными» из-за экзополисахаридного матрикса и многочисленных выростов — хамей. Изображение получено с помощью сканирующей электронной микроскопии. Рисунок из [12].

Дальше — больше: выяснилось, что по строению эти выросты не похожи ни на какие из обнаруженных у прокариот ранее [10]. Одни определяли их как «жемчужное ожерелье», другие видели в них «колючую проволоку», третьи — «гарпуны» (рис. 3). Этим, наверное, и был обусловлен выбор их названия: hamus — лат. «крючок» (мн. число — hami). Так научный английский пополнился еще одним словом, переходящим во множественное число не по правилам.

Микроструктура хамей

Рисунок 3. Микроструктура хамей Ca. A. hamiconexum. А — Скопления выростов, напоминающие ивовые ветви или водоросли. Заметны мельчайшие детали: «крючки» на концах хамей и «шипы». Б — Изображение выроста, полученное методом криоэлектронной томографии. В — 3D-структура, построенная на основе Б. Г — Подробная схема строения отдельного хамуса. Рисунок скомбинирован на основе изображений из [10, 11], с изменениями.

Hami — не хами́

Хами

Рисунок 4. Хами, окрашенные флуоресцирующими антителами к их основному белку. Выросты выглядят оранжевыми на фоне окрашенных в синий цвет скоплений ДНК в клетках архей. Рисунок из [11].

В 2015 году рабочая группа из двенадцати научных институтов и лабораторий во главе с Александрой Перрас обобщила результаты своих исследований, посвященных изучению структуры хáмей (назовем их так по аналогии с пилями) «Candidatus Altiarchaeum hamiconexum» — это принятое на данный момент имя нашего «героя» [11]. В частности, был охарактеризован главный структурный белок — сильно гликозилированный фибриллярный полипептид с молекулярной массой 120 кДа. Субъединицы этого белка, уложенные особым образом, формируют субмикрофибриллы, которые, переплетаясь по три, подобно волокнам пеньки в канате, формируют более крупные, видимые в микроскоп фибриллы (рис. 4). Но к чему микробам эти белковые «якоря» и «шипы»?

Само собой, напрашивался вывод об их структурной роли в формировании биоплёнок [12]. Действительно, плотно сомкнутые (рис. 3А) ряды «шиповатых», переплетенных подобно ветвям, фибрилл как нельзя лучше подходят на роль «цемента» для микробного сообщества. Но ученым такой вывод показался слишком простым.

С помощью метагеномного анализа удалось выявить ген, кодирующий основной белок хамей. Раз знаем ген — знаем и аминокислотную последовательность белка. Теперь можно предсказать варианты укладки полипептидной цепи — в этом помогают системы MAFFT (анализ множества линейных последовательностей аминокислотных остатков) и PSIPRED (прогноз вторичной структуры) [13]. На этом уровне были выявлены ожидаемые сходства в строении белка хамей с компонентами S-слоев других архей (рис. 1) [11, 14]. А вот сравнение полученной структуры белка с имеющимися в базе данных pGenThreader позволило «сроднить» его с белками, и вовсе не встречающимися у архей. Два из них — регулятор транспорта гепарина у Bacteroides thetaiotaomicron и ксилоглюканаза Clostridium thermocellum — принадлежат бактериям, третий — белок человека, связывающийся с поврежденными участками ДНК. Если допустить, что третье совпадение случайно, то не обратить внимания на первые два нельзя.

Ксилоглюканазы — ферменты, расщепляющие полисахариды клеточных стенок растений, — играют важную роль в преобразовании соединений углерода бактериями-редуцентами. Нельзя исключить, что хами могут участвовать в питании нашего «кандидата», осуществляя внеклеточное расщепление биополимеров [11]. Сапротрофам выделение экзоферментов свойственно, но вот белковые фибриллы с функцией фермента — это что-то новое!

Сходство же с мембранным белком-транспортёром гепарина лишь подтвердило предположение о возможности происхождения хамей от мембранных белков, вероятно, приобретших в процессе эволюции способность к самосборке. С этой гипотезой согласуется и отсутствие у Ca. A. hamiconexum типичного для архей S-слоя, своеобразной заменой которому служит наружная мембрана.

Архейная «паутина»

Чем больше ученые узнавали о свойствах основного белка хамей, тем больше удивлялись (табл. 1). Известно, что Ca. A. hamiconexum обитает в среде с довольно постоянными условиями: на 35-метровой глубине, в слабокислой, насыщенной сероводородом воде при температуре не выше +10 °С, — однако в условиях опыта хами разрушались только в резко щелочных условиях, а температуру выдерживали и до +70 °С. Непонятно пока, почему у этих микроорганизмов осталась столь широкая свобода действий в деле приспособления к условиям окружающей среды — ведь их условия обитания несравнимы с горячими вулканическими источниками. Мимо этих моментов не прошли нанобиотехнологи, занятые поисками новых биоматериалов. Значительный «рабочий» диапазон температур и рН, в котором хами сохраняют свою структуру, биоразлагаемость, высокая чувствительность к трипсину — все эти свойства могут быть использованы в областях, связанных с хирургией, и особенно тех, где возможно применение врéменных имплантатов.

Таблица 1. Некоторые свойства структурного белка хамей. Таблица составлена по материалам [10, 11].
Физико-химические свойстваЗначение
Молекулярная масса97 кДа*
«Рабочий» диапазон температур0...+70 °С
«Рабочий» диапазон рН0,5–11,5
Чувствительность к протеазамТрипсин, субтилизин А, проназа
* указано значение для дегликозилированной формы.

С середины семидесятых годов ХХ века рассматривается вопрос биотехнологического производства волокна на основе белка паутины. Однако получение «паучьего шёлка» довольно затратно и трудоемко — допускалась даже возможность создания своеобразных паучьих «фабрик». Попытки внедрения генов, кодирующих спидроин (белок паутины), в пресловутую E. coli также не дали плодотворных результатов — выход продукта оказался ничтожным. Такая ситуация отнюдь не редка в случаях, когда масса молекул слишком велика (для белка паутины — 270 кДа) [15]. Ограничение удалось снять только после получения другого, более активного штамма-продуцента.

А что, если попытаться сделать то же самое с генами, ответственными за синтез субъединиц фибрилл Ca. A. hamiconexum? Авторы статьи [11] полагают, что благодаря такому подходу удастся получить «архейный шёлк», не уступающий по своим свойствам паутине, а в чём-то (например, в способности к образованию поперечных сцепок за счет необычной микроструктуры) даже превосходящий ее. Ведь не зря же всё-таки природа придумала и сами хами, и украшающие их «крючки» и «шипы».

Литература

  1. биомолекула: «Карл Вёзе (1928–2012)»;
  2. биомолекула: «Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни»;
  3. Klingl A. (2014). S-layer and cytoplasmic membrane — exceptions from the typical archaeal cell wall with a focus on double membranes. Front. Microbiol5, 624. doi: 10.3389/fmicb.2014.00624;
  4. Чугунов А. (2014). Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей. Сайт «Теории и практики»;
  5. Rudolph C., Wanner G., Huber R. (2001). Natural communities of novel archaea and bacteria growing in cold sulfurous springs with a string-of-pearls-like morphology. Appl. Environ. Microbiol. 67, 2336–2344;
  6. Brune A. and Dietrich C. (2015). The gut microbiota of termites: digesting the diversity in the light of ecology and evolution. Annu. Rev. Microbiol. 69. doi: 10.1146/annurev-micro-092412-155715;
  7. биомолекула: «Иммуностимулирующие филаментные бактерии: наконец-то они приручены!»;
  8. биомолекула: «Поиск иголки в стоге сена за 10 минут — подсвети себе LAMPой»;
  9. Han Y.W., Shen T., Chung P., Buhimschi I.A., Buhimschi C.S. (2009). Uncultivated bacteria as etiologic agents of intra-amniotic inflammation leading to preterm birth. J. Clin. Microbiol. 47, 38–47;
  10. Moissl C., Rachel R., Briegel A., Engelhardt H., Huber R. (2005). The unique structure of archaeal «hami», highly complex cell appendages with nano-grappling hooks. Mol. Microbiol56, 361–370;
  11. Perras A.K., Daum B., Ziegler C., Takahashi L.K., Ahmed M., Wanner G. et al. (2015). S-layers at second glance? Altiarchaeal grappling hooks (hami) resemble archaeal S-layer proteins in structure and sequence. Front. Microbiol. 6, 543. doi: 10.3389/fmicb.2015.00543;
  12. Probst A.J. and Moissl-Eichinger C. (2015). «Altiarchaeales»: uncultivated Archaea from the subsurface. Life5, 1381–1395;
  13. биомолекула: «Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков»;
  14. Canganella F. and Wiegel J. (2014). Anaerobic thermophiles. Life (Basel). 4, 77–104;
  15. Chung H., Kim T.Y., Lee S.Y. (2012). Recent advances in production of recombinant spiders silk proteins. Curr. Opin. Biotechnol. 23, 957–964.

Автор: Конышев Илья.

Число просмотров: 644.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Археи «хамят» и помогают

Бонистик — 5 сентября, 2015 г. 19:10. (ссылка) (свернуть ветвь)

Какова сила скрепления боковых цепей? Время биодеградации? Возможно это новая эра шовного материала. Одна проблема - Не будет ли иммунитет против неких незнакомых белковых структур? Перспективно. Ждем первую партию.

(ответить)

Re: Re: Археи «хамят» и помогают

Конышев Илья — 5 сентября, 2015 г. 19:24. (ссылка)

Спасибо за первую реплику Вам! Учитывая, что NCBI пока выдаёт по запросу "hamus" только три-четыре статьи, написанные за пятнадцать лет, говорить о времени деградации материала, а также силах сцепления пока рано. Но в основной статье 2015-го года об этих свойствах упоминается (в том числе по аналогии с паутиной, за которой давно охотятся биотехнологи). Спекулятивно рассуждая, в крайнем случае можно допустить использование трипсина, который, во-первых, не повреждает живые ткани, а во-вторых, хорошо разрушает белки хамей.
Пока всё ещё на горизонте!

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.