Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

---

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

---

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Кто такие миксомицеты? История изучения и классификация

Задача классификации живых организмов — одна из важнейших в биологии. Но как классифицировать непонятную слизь, которая может ползать, но делает это крайне медленно, способна к фагоцитозу, но при этом размножается спорами и к тому же имеет огромное число ядер в одной единственной клетке? Не самый простой вопрос. Поэтому на его решение ушло почти четыре века.

Сейчас нам известно, что класс Myxogasteromycetes (или просто — Myxomycetes) относится к надцарству Amoebozoa, группе Eumycetozoa и объединяет всех «истинных» слизевиков (помимо миксогастровых слизевиками также называют отделы Plasmodiophoromycota, Dictyosteliomycota и Acrasiomycota, у которых иной жизненный цикл и особенности репродукции). Принадлежность к Amoebozoa говорит о том, что от настоящих грибов (Basidiomycota и Ascomycota) миксомицеты находятся так же далеко, как и от многоклеточных животных, ведь и те, и другие относятся к Opisthokonta. Упрощенная схема классификации и родственных отношений миксомицетов, грибов и животных представлена в таблице 1.

Все эти тонкости современной систематики человечество знает лишь с тех пор, как научилось анализировать последовательности различных генов организмов, а также сравнивать нюансы строения белков. Также оказались важны данные цитологии. Например, изучение строения жгутикового аппарата или количества мембран у хлоропластов растений, а также оценка сходства или различия структур для полового размножения. В середине XVII века, когда миксомицеты были впервые описаны и охарактеризованы с применением научного подхода, таких знаний не было, поэтому и с их классификацией возникали некоторые затруднения (об этом чуть ниже). Ведь основной метод изучения организмов и микроорганизмов, которым тогда пользовались исследователи — наблюдение с помощью светового микроскопа разных жизненных стадий.

Первое описание датировано 1654 годом, когда Томас Панков [1] выпустил сборник Herbarium Portatile [1]. В нем он описал представителя рода Lycogala, одного из наиболее часто встречаемых в средней полосе миксомицетов (рис. 1). В течение XVII века миксомицетов относили к грибам, а те, в свою очередь, к растениям.

Интересно, что один из исследователей миксомицетов XVIII века, Джон Хилл, помимо описания рода Arcyria, также считал, что различные спороношения свойственны не разным видам, а мужским и женским цветкам. То есть разные виды одного рода (Arcyria) Хилл считал мужскими и женскими цветами одного растения, что, конечно, неверно.

Карл Линней тоже не обошел миксомицетов стороной, однако грибов в целом он описал всего 17 видов, и из них 7 оказались слизевиками.

Название «миксомицеты» (дословно — «слизевые грибы», лат.) дал группе в 1833 году Джон Генрих Фридрих Линк [1].

Первые научные исследования, а не просто описания миксомицетов относятся к XIX веку, когда Генрих Антон де Бари в 1859-м выпустил книгу Die Mycetozoa, назвав миксомицеты грибными животными. Следующий крайне важный момент — введение термина «плазмодий» польским исследователем Лео Циенковски. Плазмодий — многоядерная вегетативная клетка миксомицетов, их трофическая стадия, способная к активному движению. Чуть позже, в 1873 году Йозеф Ростафински опубликовал первое подробное описание группы с множеством новых видов, большинство которых сохранилось до наших дней. Важный вклад во второй половине XIX века внесли Артур и Гулиельма Листер, описав многочисленные новые виды и поглощение частиц пищи плазмодием.

ХХ век ознаменовался подробными исследованиями группы, расширением зон сбора образцов и формированием новой системы. С середины прошлого века вместо термина Mycetozoa используется Myxomycetes, после того, как Томас Макбрайд и Джордж Мартин предложили считать их классом грибов.

По последним данным [2] миксомицетов относят к группе амебоидных организмов, которая так же далека от настоящих грибов, как и от многоклеточных животных. Их особенностью является формирование псевдоподий (ложноножек) в активной фазе жизненного цикла и образование спор в плодовых телах при размножении. Согласитесь — есть признаки и животных, и грибов, однако миксомицеты не относятся ни к тем, ни к другим. Современная классификация эукариот, включая миксов, приведена на рисунке 2.

Миксомицет — что ты такое?

Многие, впервые услышав рассказ о миксах, испытывают примерно те же эмоции, что и Арнольд Шварценеггер в известном фильме (рис. 3). Однако давайте возьмем себя в руки и разберем подробно особенности биологии этих необычных организмов.

Итак, перед вами склизкое, яркоокрашенное и очень медленно (со скоростью примерно 6 мм в час) ползущее нечто. Это — плазмодий, то есть вегетативная стадия миксомицета. Плазмодием она названа, потому что имеет множество ядер, и число их может доходить до миллионов. Образовались все эти ядра преимущественно не путем слияния разных клеток, а в процессе многочисленных митозов без деления цитоплазмы. Если же мы решим проникнуть глубже в клетку этого существа, то увидим, что движется оно за счет сокращения миксомиозина и актина, сопряженного с расщеплением АТФ, аналогично механизму сокращения мышц животных [3]. Движения плазмодия обычно «пульсирующие», то есть его перемещение происходит «волнами», а не постоянно в одном направлении.

Посмотреть на этот необычный способ роста и движения можно тут:

#slimemold oscillations, quite hypnotic
Duration 4h - Speed x 360#blob #physarum #myxomycetes #protist pic.twitter.com/nEMWZWVe2u

— Audrey Dussutour (@Docteur_Drey) April 30, 2019

Причина такой пульсации — циклические токи цитоплазмы. По системе каналов, из которых состоит тело плазмодия, ритмично движется цитоплазма, перенося питательные вещества, и органеллы в придачу. Увидеть это явление можно даже в обычный бинокуляр или световой микроскоп, желательно смотреть живой плазмодий в проходящем свете. При этом видно, как в каналах движутся вакуоли, ядра, пигментные гранулы. Разнообразная окраска плазмодиев обусловлена наличием в них пигментов различной природы (рис. 4). К ним относятся:

• производные тетрамовой кислоты [4];
• каротиноиды;
• амиды жирных кислот и их производные;
• алкалоиды (например N-этил-малеимид [3], [5]);
• нафтохиноновые пигменты;
• ароматические вещества.

Пигменты миксомицетов являются потенциальными кандидатами на роль новых лекарственных препаратов, о чем мы поговорим позже.

Чем же питаются эти почти инопланетные создания? Ответ напрямую связан с их местообитанием — влажная лесная подстилка и верхний слой почвы. А по типу питания наши объекты, как ни удивительно, хищники: они поглощают бактерий, одноклеточные водоросли, грибы и их споры, могут также поедать простейших. В лаборатории миксомицетов часто «кормят» овсянкой. Но это не совсем так: микс питается не самой овсянкой, а выросшими на хлопьях бактериями. Фронт роста обычно имеет закругленную форму, что можно связать с наиболее рациональным поиском пищи для этого организма — миксомицет охватывает как можно большую территорию и ищет там добычу. Когда же он находит ее, то концентрируется в этом месте, стягивая сюда основную массу клетки. За краем роста остаются многочисленные переплетенные каналы, по которым перемещаются питательные и сигнальные вещества. Внешний вид плазмодия показан на рисунке 5.

Жизненный цикл

Помимо плазмодия в жизненный цикл миксомицетов входит также спорокарп, или плодовое тело (структура, образующая и рассеивающая споры), спора и стадия между метаболически неактивной спорой и плазмодием — зооспора и/или миксамеба. Зооспоры имеют постоянную форму тела и движутся с помощью жгутиков, миксамебы же постояннной формы тела не имеют, движутся с помощью псевдоподий, но могут обладать и жгутиками. В зависимости от наличия полового процесса жизненные циклы миксов делят на два типа: гетероталличный (половой процесс есть) и апогамный (половой процесс отсутствует).

Гетероталличный цикл

В случае гетероталличного цикла спора прорастает либо зооспорой, либо миксамебой, затем две таких клетки сливаются, происходит кариогамия (слияние ядер), и после многократного митотического деления ядра образуется новый плазмодий. В гетероталличном жизненном цикле основная особенность — слияние двух гаплоидных зооспор или миксамеб, фактически являющихся гаметами. Соответственно, после слияния из зиготы развивается диплоидный плазмодий. Также возможна стадия склероция — неактивная покоящаяся форма, похожая на плазмодий, которая необходима для перенесения неблагоприятных условий (своеобразная форма «спячки» плазмодия). Логическим следствием является разделение цикла на гаплоидную фазу и диплоидную (рис. 6).

Апогамный цикл

При апогамном жизненном цикле из споры выходит миксамеба, ни с кем не сливается и дает начало новому плазмодию (рис. 7).

У читателя мог возникнуть вопрос: как же поддерживается постоянное число хромосом в апогамном цикле, ведь миксамеба не слилась со второй клеткой, значит, и диплоидность не восстановилась. Миксомицеты решают эту проблему двумя способами: либо при образовании спор происходит блок мейоза, либо так называемый автомиксис. В первом случае в течение всего жизненного цикла миксомицет гаплоиден. В случае же автомиксиса после первого или второго деления мейоза дочерние клетки сливаются, в результате образуются две диплоидные клетки (рис. 8). После стадии миксамебы в апогамном цикле следует стадия плазмодия, с многократным увеличением числа ядер, увеличением размеров клетки и ростом.

Жизнь плазмодия можно разделить на «ДО» и «ПОСЛЕ» перехода к спороношению. До начала метаболических процессов, ведущих в конечном счете к образованию плодовых тел, у плазмодия существуют следующие таксисы (типы движения):

• Положительный трофотаксис. Плазмодий ползет к пище, что обеспечивается хемотаксисом — миксомицет улавливает молекулы, выделяемые пищей, например, бактериями, и двигается к источнику. Дело в том, что для образования спор необходимы питательные вещества, и плазмодий ищет бактерий, чтобы накопить эти вещества в достаточном количестве.
• Отрицательный фототаксис (старается укрыться от света). Сейчас нет единого мнения относительно причин возникновения фототаксиса. Известно, что он связан с многоступенчатым каскадом биохимических реакций [6]. Также мы знаем, что плазмодии с окрашенными пигментными гранулами требуют изменения светового режима для начала спороношения, для плазмодиев с белыми пигментными гранулами такое переключение не всегда является обязательным, а непигментированные плазмодии не требуют светового переключения [3].
• Положительный реотаксис («приманивается» текущей водой). Стремление плазмодия найти текущую воду можно объяснить экологией миксомицетов. В лесной подстилке наибольшее число бактерий и одноклеточных эукариот, составляющих основу питания плазмодия, находится именно в увлажненных субстратах.

После переключения метаболизма (причины этого перехода мы разберем дальше) все таксисы миксомицета меняются на противоположные. Плазмодий активно выползает на свет, избегает влажных мест и не реагирует на «пищевые стимулы». Причина — образование и распространение будущих спор. Освещенное сухое место, скорее всего, находится на возвышении, а значит, споры лучше будут распространены ветром. Питание плазмодию на данной стадии уже не нужно, метаболизм «переключен» на спороношение.

Интересным свойством гетероталличных миксомицетов является их спаривание. Для успешного слияния двух гамет необходимо, чтобы их хромосомные локусы, ответственные за половую совместимость, различались. У наиболее изученного микса, Physarum polycephalum, существует два таких локуса — MatA и MatB, каждый из которых имеет множество аллелей. В результате получается большое количество возможных комбинаций аллелей у сливающихся клеток и, что важно, запрет на слияние двух гамет, происходящих от одного родителя и несущих одни и те же локусы. Эволюционная причина такого запрета — избегание перехода аллелей в гомозиготное состояние.

Спороносные структуры миксомицетов делят на 4 типа в зависимости от их морфологии и способа развития — это плазмодиокарп, спорангий, эталий и псевдоэталий (рис. 9).

Синхронность и мышление, кажущаяся интеллектуальность?

Мышления у миксомицетов, скорее всего, не существует — ведь нет нервной системы или каких-либо ее аналогов. Однако есть минимум два явления, заставляющие задуматься об этом факте, а точнее об истинности его отсутствия. Первое — это четко заданное одновременное спороношение одного плазмодия, когда организм, насколько бы большим по площади он ни был, синхронно формирует плодовые тела. Второй — возможность прохождения миксомицетом лабиринта и построение им кратчайшего пути между точками. Давайте углубимся в вопрос и разберемся в нюансах .

Модельным видом миксомицетов является Physarum polycephalum, так как он легко культивируется, быстро растет и активно перемещается. В ранее опубликованной на «Биомолекуле» статье «Примитив не приговор, или Physarum polycephalum разумный» [7] рассказывается как об организации и жизнедеятельности плазмодия, так и об экспериментах японских ученых, лабиринте и живущем в нем миксомицете, а также о других интересных опытах с плазмодиями.

Одновременное спороношение

Точно известно, что спороношение направляется внешними факторами: температурой, влажностью, рН среды, доступностью пищи, светом. Также влияет на процесс спороношения размер плазмодия. Главным фактором можно считать освещенность — для начала спороношения Physarum polycephalum требуется длительный период освещенности плазмодия, а продолжительный период затемнения, наоборот, блокирует спороношение [8]. В обзорной статье [5] Джон Даниэль привел более точные данные: для индукции спороношения требуется период голодания в темноте, за которым следует период освещенности.

Саму синхронность формирования спороношений могут регулировать колебания концентрации АТФ, NADH, Ca²⁺ и даже мембранного потенциала, но главный фактор одновременного формирования плодовых тел и созревания спор, скорее всего, — ритмичные токи цитоплазмы, которые разносят сигнальные молекулы по всей клетке миксомицета [9].

Прохождение лабиринтов

Плазмодий миксомицетов имеет край роста (фронт нарастания), который активно ищет пищу, и сеть каналов, расположенных за этим краем. Как уже упоминалось, по каналам движется цитоплазма, перенося органеллы, питательные и сигнальные вещества. Сеть каналов соединяет активные зоны роста, и эти, на первый взгляд разделенные части одной клетки, образуют единое целое. Распространяясь в замкнутом пространстве, плазмодий сначала стремится найти пищу. После достижения этой цели начинается «уточнение» прокладывания логистической карты каналов. Плазмодий корректирует положение каналов таким образом, чтобы минимизировать затраты ресурсов и энергии и уменьшить время движения цитоплазмы по ним. «Рациональность» и оптимальность проложенных каналов доказана в работе Криса Рейда и соавторов [10]. Для этого использовался тест с П-образным препятствием (содержащим репеллент, который отпугивает плазмодия — ацетат). Плазмодий должен добраться до цели, проложив оптимальную траекторию — 96% испытуемых слизевиков справились с задачей. В статье изучается не только возможность плазмодия проложить оптимальную траекторию, но и влияние присутствия другого плазмодия на поведение «испытуемого». Эксперимент с Y-образным лабиринтом, часто используемый физиологами, показал, что при отсутствии других плазмодиев в рукавах лабиринта, данный миксомицет выбирает левую и правую часть с примерно равной частотой. Однако если в одном из рукавов присутствует другой миксомицет, будет выбран свободный путь. Если заняты оба пути, исследуемый плазмодий опять-таки с равной долей вероятности выберет любой из рукавов. Это показывает, что кроме хемотаксиса по отношению к пище миксомицеты обладают и способностью чувствовать себе подобных и избегать их.

Вопрос о зачатках разумности остается открытым, ведь с одной стороны, такое «поведение» может показаться довольно осознанным, особенно для существа без нервной системы и состоящего из одной клетки, а с другой стороны прохождение лабиринта еще ничего не доказывает. В исследовании Иштвана Лагзи и др. было показано, что пройти лабиринт способна даже простая химическая система [11], а плазмодий, как и любая клетка, — крайне сложное и комплексное «устройство». Кроме того, проявления интеллекта у животных, обладающих ЦНС и развитым головным мозгом, намного превосходят миксомицетные, поэтому все-таки «разумность» миксов пока остается сравнимой с таковой у растений и кишечнополостных.

Что может умная слизь дать нам сегодня?

В XXI веке перед медиками, биохимиками, молекулярными биологами и биоинформатиками стоит проблема поиска новых соединений для лечения старых заболеваний. Устойчивость к антибиотикам, еще в 2016 году громко напомнившая о себе, требует разработки новых соединений, подавляющих рост бактерий. На «Биомолекуле» антибиотикорезистентности посвящен спецпроект, в котором описывается непростая борьба человечества с бактериями. Борьба с онкологическими заболеваниями совершенствуется каждый год, но чем больше мы узнаем, тем больше появляется вопросов и вызовов, так как раковые клетки, как и прокариоты, адаптируются к новым способам терапии [12]. Одно «неприятное» свойство человеческого организма также изучается множеством исследовательских групп по всему миру. Речь о старении, а одна из причин, его вызывающих, это появление свободных радикалов из-за ухудшения работы митохондрий [13]. Таким образом, человечеству нужны новые антибиотики, цитотоксичные вещества и антиоксиданты. Получение соединений, обладающих одним из этих трех свойств, ведется двумя основными путями: либо изучением и последующей модификацией уже имеющихся в природе молекул (так, на «Биомолекуле» уже рассказывали про изучение грибов, морских звезд и актиний и полыни: [14–16]), либо созданием новых с помощью методов биоинформатики [17], [18].

Как и у всех клеточных организмов, у миксомицетов имеются разнообразные вторичные метаболиты, которые не участвуют в основных реакциях обмена веществ, но необходимы для успешного существования. Это пигменты, аттрактанты, репелленты, токсины, гормоны, защитные вещества и другие минорные соединения. В обзоре 2005 года Валерий Дембитский разбирает основные химические группы вторичных метаболитов миксов и описывает их биологические эффекты, а в обзоре 2020 года Шихуи Ли рассматривает те же группы химических соединений, но с учетом более «свежих» данных, [19]. Эффекты соединений можно разделить на четыре основные группы: антибиотический, цитотоксический, цитостатический (противоопухолевый) и антиоксидантный (табл. 2).

Создание новых лекарств — это всегда длительный и трудозатратный многоступенчатый процесс. От стадии обнаружения у соединения какой-либо биологической активности до регистрации его более эффективной модификации в качестве препарата проходит длительное время, проводятся сотни тестов на различных выборках сначала животных и/или культурах клеток, а потом и людей. Из сотен потенциальных кандидатов остаются единицы [23]. Именно поэтому так важно исследовать биохимию как можно большего числа различных организмов и проверять вторичные метаболиты со всей возможной тщательностью. Миксомицеты обладают широким спектром разнообразных соединений, тестирование которых может подарить людям десятки новых лекарств. И если для того чтобы достать и выделить минорное соединение актинии или медузы вам необходимо ловить огромные количества этих существ и работать с ограниченным количеством ценного соединения, то миксомицеты в этом отношении прекрасные лабораторные создания, которые легко культивируются и поддерживаются в чашке Петри.

Подведем итоги

С каждым годом человечество узнает все больше как об окружающей нас биосфере (около 18 000 видов открывают ежегодно), так и об особенностях строения нашего собственного тела. Тестируя соединения живых организмов на возможные биологические активности, мы сможем увеличить спектр имеющихся препаратов для решения наиболее актуальных проблем, таких как онкологические заболевания, антибиотикорезистентность бактерий, окислительный стресс. В данной статье указаны лишь некоторые соединения из множества вторичных метаболитов миксомицетов. А сколько еще не изученных! Сегодня известно около тысячи видов настоящих миксомицетов. Если допустить, что каждый содержит хотя бы два уникальных вторичных метаболита, и десятки схожих с другими видами, получается несколько тысяч соединений. Скрининг, тестирование и их модификация дадут возможность получить новые препараты и облегчить жизнь десяткам тысяч пациентов. Остается надеяться, что изучение этих удивительных организмов будет развиваться сопряженно с развитием лабораторных методов и подарит нам новые плоды научных изысканий.

Литература

1. Stephenson S.L. and Rojas C. Myxomycetes: biology, systematics, biogeography, and ecology. Academic Press, 2017. — 474 p.;
2. Fabien Burki, Andrew J. Roger, Matthew W. Brown, Alastair G.B. Simpson. (2020). The New Tree of Eukaryotes. Trends in Ecology & Evolution. 35, 43-55;
3. J Clark. (2015). Myxomycete plasmodial biology: a review. Mycosphere. 6, 643-658;
4. Ingrid Casser, Bert Steffan, Wolfgang Steglich. (1987). The Chemistry of the Plasmodial Pigments of the Slime MoldFuligo septica (Myxomycetes). Angew. Chem. Int. Ed. Engl.. 26, 586-587;
5. Daniel J.W. Light-induced synchronous sporulation of a myxomycete — the relation of initial metabolic changes to the establishment of a new cell state. In: Cell synchrony / ed. by Cameron I.L., Padilla G.M. London, New York: Academic Press, 1966. p. 117–152;
6. Чижов А.О., Гмошинский В.И., Прохоров В.П., Барсукова Т.Н. (2010). Углеводный состав биомассы миксомицетов. «Микология и фитопатология». 6, 542–548;
7. Примитив не приговор, или Physarum polycephalum разумный;
8. Eiko Hosoda. (1980). Culture Methods and Sporulation ofPhysarum Polycephalum. Mycologia. 72, 500-504;
9. D.A. Smith, R. Saldana. (1992). Model of the Ca2+ oscillator for shuttle streaming in Physarum polycephalum. Biophysical Journal. 61, 368-380;
10. C. R. Reid, T. Latty, A. Dussutour, M. Beekman. (2012). Slime mold uses an externalized spatial "memory" to navigate in complex environments. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109, 17490-17494;
11. István Lagzi, Siowling Soh, Paul J. Wesson, Kevin P. Browne, Bartosz A. Grzybowski. (2010). Maze Solving by Chemotactic Droplets. J. Am. Chem. Soc.. 132, 1198-1199;
12. Соревнуясь с раком;
13. Старение: остановить нельзя смириться;
14. Недооцененный потенциал грибов;
15. Звёзды, актинии и лекарства;
16. Названы лауреаты Нобелевской премии-2015 по физиологии и медицине;
17. Я б в биоинформатики пошёл, пусть меня научат!;
18. Виртуальные тропы реальных лекарств;
19. Sihui Li, Na Lin, Bin Wu. (2020). Laboratory culture and bioactive natural products of myxomycetes. Fitoterapia. 146, 104725;
20. Valery M. Dembitsky, Tomáš Řezanka, Jaroslav Spížek, Lumír O. Hanuš. (2005). Secondary metabolites of slime molds (myxomycetes). Phytochemistry. 66, 747-769;
21. Pauline Schaap, Mei Wang. (1984). The possible involvement of oscillatory cAMP signaling in multicellular morphogenesis of the cellular slime molds. Developmental Biology. 105, 470-478;
22. Midori A. Arai. (2011). Approaches to Neural Stem Cells and Cancer Cells Based on Natural Products. Chem. Pharm. Bull.. 59, 417-426;
23. Путь лекарства;
24. Steven L. Stephenson. (2011). From morphological to molecular: studies of myxomycetes since the publication of the Martin and Alexopoulos (1969) monograph. Fungal Diversity. 50, 21-34.