Наверняка в различных статьях и новостях после упоминания какого-нибудь зловредного патогена вы встречали фразу: «Эта бактерия относится к грамположительному типу» или «Это грамотрицательная палочка». Но задумывались ли вы о том, зачем нужны такие уточнения?

Разница между этими двумя группировками внутри бактерий заключается в особенностях строения их клеточной стенки. Клетка любого организма, будь то бактерия, архея или эукариот, имеет цитоплазматическую мембрану и почти каждая несет поверх мембраны надстройку — клеточную стенку: бактерии — муреиновую, археи — псевдомуреиновую, растения — целлюлозную, а грибы — хитиновую.

Отдельно про эволюцию мембран можно прочесть в статьях «Биомолекулы»: «Появление и эволюция клеточной мембраны» [1], «Липидный фундамент жизни» [2].

У грамположительных бактерий поверх мембраны находится очень толстый слой пептидогликана (муреина), а у грамотрицательных этот слой тонок, и сверху его покрывает еще одна мембрана (рис. 1). Эти различия играют ключевую роль в медицинской микробиологии — в зависимости от типа клеточной стенки патогена будут различаться и методы борьбы с ним. Например, в случае грамотрицательных бактерий доставка антибиотика внутрь клетки осложняется тем, что клеточная стенка защищена дополнительной мембраной [3], [4].

Бактерий стали разделять на грамположительных и грамотрицательных в 1884 году, когда Ганс Христиан Грам разработал метод окрашивания для визуализации клеток пневмококка в легких пострадавших от пневмонии. Этот метод, известный как окрашивание по Граму, широко используется и поныне, хотя сам автор скромно заявлял: «Я опубликовал метод, хотя мне известно, что он пока очень несовершенен. Есть надежда, что и в руках других исследователей он будет полезным».

Как происходит окраска по Граму? Для начала на исследуемых бактерий капают краситель кристаллический фиолетовый и йод, который его проявляет, а также стабилизирует связь между клеточной стенкой и красителем. Затем образец промывают спиртом — мембрана лопается, и краситель вымывается наружу. При этом кристаллический фиолетовый застревает в толстой и пористой клеточной стенке грамположительных бактерий, а стенка грамотрицательных его не задерживает. Для окраски грамотрицательных бактерий можно использовать другой краситель — фуксин, он помогает отличить такие клетки от неживых частиц (рис. 2).

Первые бактерии: грамположительные или грамотрицательные?

Как, когда и почему у бактерий произошел переход от одномембранной клеточной оболочки к двухмембранной (или наоборот) — ключевые для микробиологов вопросы эволюционной биологии, на которые пока нет ответа.

На этот счет существуют несколько гипотез, которые в целом можно отнести к двум альтернативным сценариям: либо первыми появились предки грамположительных бактерий — монодермы (с одной мембраной); либо, наоборот, первыми были предки грамотрицательных бактерий — дидермы (с двумя мембранами) (рис. 3) [5].

Одной из самых ранних была гипотеза Томаса Кавалье-Смита, который предположил, что потеря внешней мембраны была случайностью, произошедшей в результате мутации в генах, отвечающих за механизм роста клеточной стенки у дидерм [6]. Однако впоследствии оказалось, что бактерии Chloroflexi, которых Кавалье-Смит предложил поставить в основание филогенетического дерева бактерий, не являются ранней линией. Кроме того, внешняя мембрана грамотрицательных бактерий содержит большое количество важных для жизнедеятельности белков, поэтому едва ли она могла быть утрачена без последствий.

Согласно другой гипотезе, которую позже выдвинул Джеймс Лейк, первыми возникли монодермы, а дидермы образовались в результате слияния двух клеток монодерм. Однако эта гипотеза не имеет никаких филогенетических оснований, так что вряд ли в этом случае минус на минус дает плюс [7].

Еще позже новую гипотезу выдвинул Радхи Гупта. Согласно ей, первыми появились монодермы, а внешняя мембрана дидерм возникла для защиты от антибиотиков. Внешняя мембрана действительно от них защищает, однако не ясно, какое влияние имели антибиотики на таких ранних этапах эволюции бактерий [8].

И, наконец, совсем недавно Элиза Точева с коллегами выдвинула другую гипотезу, согласно которой переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм — предков грамположительных бактерий, — а затем теряется при их прорастании. По этому сценарию дидермы произошли от спорулирующего предка всех бактерий [9].

Эти гипотезы, пусть и представляют определенный интерес, далеко не совершенны, и у каждой есть свои слабые стороны. Лишь недавно ученые получили результаты исследований, которые позволяют сделать выбор в пользу одной из гипотез.

Собираем по кусочкам

Сбор и кластеризация (то есть объединение по тем или иным признакам) данных бактериальных геномов, проведенные Джоанной Ксавье и ее командой, могут рассказать нам про последнего общего предка бактерий (last bacterial common ancestor, LBCA) — и показать, каким он был сотни миллионов лет назад [10].

В этом помогли сведения о последнем общем предке всех живых организмов (last universal common ancestor, LUCA), от которого произошел и предок всех бактерий LBCA [11], [12], . Современные данные свидетельствуют о том, что LUCA был термофильным анаэробом, обитавшим вблизи гидротермальных источников [13]. Тогда в атмосфере Земли не было свободного кислорода, и его появление впоследствии не изменило природу основных строительных блоков жизни и их биосинтетические пути [14]. Но предок всех бактерий — это лишь одна из ветвей, отделившихся от LUCA. Второй ветвью был предок всех архей, от которого произошли и мы, эукариоты [15].

Если вам интересно больше узнать о происхождении жизни на Земле, откройте одну из статей «Биомолекулы»: «К вопросу о происхождении жизни» [16] и «Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией» [17].

К сожалению, из-за постоянного горизонтального переноса генов между бактериями проследить происхождение отдельных ветвей — задача нетривиальная. Потому исследователи выбрали другой подход: сосредоточить внимание на геномах именно анаэробных бактерий и генах, которые широко распространены среди них. При этом анализировали геномы современных групп, наиболее похожие по своему метаболизму на группы, которые раньше всего отделились от LBCA.

Исследователи проанализировали основные эволюционные линии анаэробных бактерий и нашли их общие гены. В результате были выбраны 146 семейств генов: 122 из них присутствовали в 90% всех геномов анаэробных прокариот, то есть были достаточно универсальны. По этим генам можно получить примерное представление о физиологии и образе жизни LBCA.

Абсолютно обычная бактерия

С помощью выбранных 146 семейств генов можно построить почти полную метаболическую сеть LBCA. В ней встречаются гены, кодирующие важнейшие прокариотические метаболиты (например, это 20 аминокислот, азотистые основания ДНК и РНК, кофакторы, а также некоторые другие соединения). Но картина получилась неполной: гены, кодирующие синтез других соединений, могли присутствовать у LUCA, но затем потерялись в процессе эволюции и теперь встречаются только у клостридий и дельтапротеобактерий.

И, судя по полученным данным, LBCA более всего напоминал бактерию рода Clostridium из отдела Firmicutes — это грамположительные облигатно анаэробные бактерии, способные образовывать эндоспоры. Также у LBCA были черты современных дельтапротеобактерий. И у них, и у клостридий есть путь ацетил-КоА для фиксации углерода из CO₂, а это — единственный путь фиксации углерода, присутствующий как у архей, так и у бактерий. Эта физиологическая черта объединяет LBCA и LUCA, так что, скорее всего, самая древняя бактерия росла вблизи гидротермальных источников, питаясь автотрофно . В целом, физиология LBCA обнаруживает черты, хорошо подходящие для негостеприимной окружающей среды того времени.

О том, что такое автотрофия и какие еще бывают типы питания, можно прочесть в статье: «Особая диета: молекулярный водород три раза в день, ионы сульфата перед едой» [18].

Ближе к истине

Исследователи проделали большую работу, восстанавливая облик самой древней бактерии. Но к какой из гипотез, упомянутых выше, это нас приближает?

Реконструировав метаболизм LBCA, авторы статьи пришли к выводу, что больше всего сходств он имеет с клостридиями (отдел Firmicutes). К похожему же выводу пришли и Элиза Точева с коллегами: напоминаем, что, согласно их гипотезе, переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм (как, например, у клостридий). Судя по всему, один из самых ранних предков всей клеточной жизни мог образовывать эндоспоры. Споры уже давно признаны исключительно устойчивыми формами жизни, они способны выдерживать экстремальные температуру и рН, обезвоживание и другие воздействия окружающей среды.

Работа молекулярных эволюционистов здорово напоминает детектив: по мельчайшим следам в геномах потомков необходимо собрать фоторобот предка. Современная наука делает большие успехи, расследуя происшествие, которому 3,5 млрд лет: мы многое можем сказать о предке всех бактерий, пусть никогда не увидим его вживую.

Литература

1. Появление и эволюция клеточной мембраны;
2. Липидный фундамент жизни;
3. Полимеры в борьбе с антибиотикорезистентными микроорганизмами;
4. Антибиотики vs Бактерии. «Война Бесконечности» или всему есть предел?;
5. Daniela Megrian, Najwa Taib, Jerzy Witwinowski, Christophe Beloin, Simonetta Gribaldo. (2020). One or two membranes? Diderm Firmicutes challenge the Gram‐positive/Gram‐negative divide. Mol Microbiol. 113, 659-671;
6. T Cavalier-Smith. (2002). The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification.. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 52, 7-76;
7. James A. Lake. (2009). Evidence for an early prokaryotic endosymbiosis. Nature. 460, 967-971;
8. Radhey S. Gupta. (2011). Origin of diderm (Gram-negative) bacteria: antibiotic selection pressure rather than endosymbiosis likely led to the evolution of bacterial cells with two membranes. Antonie van Leeuwenhoek. 100, 171-182;
9. Elitza I. Tocheva, Davi R. Ortega, Grant J. Jensen. (2016). Sporulation, bacterial cell envelopes and the origin of life. Nat Rev Microbiol. 14, 535-542;
10. Joana C. Xavier, Rebecca E. Gerhards, Jessica L. E. Wimmer, Julia Brueckner, Fernando D. K. Tria, William F. Martin. (2021). The metabolic network of the last bacterial common ancestor. Commun Biol. 4;
11. От Бульона до Эукариот. Первый организм и наш древнейший предок;
12. В диких условиях: как жил последний всеобщий предок LUCA;
13. Joana C. Xavier, Rebecca E. Gerhards, Jessica L. E. Wimmer, Julia Brueckner, Fernando D. K. Tria, William F. Martin. (2021). The metabolic network of the last bacterial common ancestor. Commun Biol. 4;
14. Jason Raymond, Daniel Segrè. (2006). The Effect of Oxygen on Biochemical Networks and the Evolution of Complex Life. Science. 311, 1764-1767;
15. Опасные связи. Новый взгляд на происхождение эукариотических химер, подмявших под себя весь мир;
16. К вопросу о происхождении жизни;
17. Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией;
18. Особая диета: молекулярный водород три раза в день, ионы сульфата перед едой;
19. Black J.G., Black L.J. Microbiology: principles and explorations (9th Edition). Wiley, 2015. — 906 p..