Кабельные бактерии подышали кислородом за себя и за остальную колонию

Stefano Scilipoti et al. / Science Advances, 2021

Микробиологи зафиксировали интересную адаптацию к окислительному стрессу в кабельных бактериях. Оказалось, что небольшая часть нитчатой колонии, наиболее приближенная к источнику кислорода, с удивительно высокой интенсивностью использует его для энергетически выгодного аэробного дыхания. Остальная же часть находится в анаэробной среде, избегая проблем, вызываемых окислительным стрессом. Статья опубликована в Science Advances.

С тех пор как в результате Кислородной катастрофы (2,4-2,0 миллиарда лет назад) в атмосфере появился молекулярный кислород, живые существа стали подвергаться окислительному стрессу. Какие-то микроорганизмы учились справляться с активными формами кислорода внутри клеток, а другие (в том числе и появляющиеся эукариоты) стали извлекать из него пользу, используя кислород как акцептор электронов. 

Сейчас в условиях сильной гипоксии (крайне низкой концентрации кислорода) обитают микроорганизмы, населяющие влажные среды обитания: в донных осадках, биопленках или кишечнике животных. В ходе эволюции эти микробы разработали различные механизмы, которые позволяют им жить на границе кислородной и бескислородной среды. Интересной тактикой пользуются морские «кабельные» бактерии из семейства Desulfobulbaceae: их колонии формируют длинные (до нескольких сантиметров) нити-кабели, на всю длину которых протягивается пока еще неизвестный исследователям проводящий электричество материал. Эти нити-колонии протягиваются из бескислородной среды, откуда бактерии получают сульфидные соединения (доноры электронов) в кислородную (где есть молекулярный кислород, акцептор электронов). Таким образом, процесс клеточного дыхания в колониях разбит на две части и разнесен в разные части нитей.

Исследователи из Орхусского университета из группы Луиса Нильсена (Lars Nielsen) наблюдали за поведением бактерий в специальной камере: образец донного грунта поместили на один конец, на другом находилось окошко с доступом кислорода. Образец грунта с населяющим его микробиом использовали, потому что выращивать кабельные бактерии в чистой культуре пока не удавалось.

В камере сформировался градиент концентрации кислорода. Там, где его концентрация приближалась к очень низким значениям (< 5 микромоль), различные бактерии из грунта (не кабельные) образовали различимую глазом «вуаль», проведя отчетливую границу между кислородной и гипоксийной средой. Эту границу ожидаемо пересекли нити кабельных бактерий. Геометрия камеры позволила, зная коэффициент диффузии кислорода, вычислить, как много кислорода потребляли отдельные бактерии в колонии.

К удивлению биологов, кабельные бактерии (те из них, которые пересекли границу и попали в кислородную среду) продемонстрировали очень высокие показатели потребления кислорода: 2200 наномоль молекулярного кислорода на миллиграмм белка в минуту. Для сравнения, предыдущий рекорд среди прокариот принадлежал бактерии Desulfovibrio termitidis с показателем 1570 наномоль молекулярного кислорода на миллиграмм белка в минуту. При этом сам механизм клеточного дыхания у кабельных бактерий еще только предстоит объяснить.

Попавшая в кислородную среду часть нитей составила меньшую долю колонии: всего 8,1±6,4 процента от всей ее биомассы. Таким образом, всего несколько клеток были ответственными за весь кислородный обмен колонии. Самые крайние клетки всегда старались держаться в среде с меньше чем 14 процентами насыщения воздухом. Чтобы достичь этого, вся колония меняла свое положение в ответ на небольшие изменения концентрации воздуха каждые 60 секунд. Возможно, сигнал между клетками передается путем изменения электрического напряжения нитей. 

Через какое-то время ученые наблюдали необратимые изменения в клетках колоний, подвергнутых воздействию кислорода. Ученые предположили, что даже если клетки на конце нитей из-за воздействия кислорода умирают, то с эволюционной точки зрения такая стратегия все же выгодна: около 90 процентов колонии находится в среде с крайне низким содержанием кислорода, не рискуя попасть под разрушительное воздействие его активных форм. Такой подход стал примером интересной адаптации кабельных бактерий: их колонии одновременно используют мощный акцептор электронов (кислород) и достаточно эффективно избегают минусы пребывания в кислородной среде.

Кабельные бактерии используют в качестве донора электронов серу, также существуют микроорганизмы, использующие железо или азот. Не так давно ученые добавили к этом списку марганец, описав бактерии, которые его окисляют.

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.