Бактерии используют метаболизм хищных амеб для синтеза «химического оружия» против них

При упоминании отношений «хищник-жертва» большинство, вероятно, подумает о мыши, угодившей в кошачьи когти, или представят гепарда, настигающего антилопу. Однако стать чьим-то обедом можно не только в макромире — хищничество также существует в мире микробном. Так, некоторые амебы питаются бактериями. Но за долгое время совместного существования бактерии приобрели различные механизмы защиты, например, научились вырабатывать токсичные для хищника низкомолекулярные соединения. Подробные сведения о таких механизмах могли бы оказаться полезными, например, для контроля патогенов, но пока эта область остается малоизученной.

Бактерии Pseudomonas syringae — патогены растений, поражающие практически все ценные виды сельскохозяйственных культур, при этом с ними чрезвычайно трудно бороться. Ученые из Германии опубликовали в журнале Сell исследование, где описали молекулярный механизм, позволяющий этим бактериям избегать их естественных врагов — бактериоядных амеб Polysphondylium pallidum.

Сначала исследователи выращивали P. syringae в присутствии амеб P. pallidum и отбирали те клетки бактерий, которые продолжали расти и образовывать колонии даже в присутствии хищника, а значит, потенциально производили токсичные для него метаболиты. С помощью филогенетического анализа ученые выявили два очень близких штамма P. syringae, один которых — SZ57 — был лишен защиты против амеб, а другой — SZ47 — не поедался ими независимо от среды, в которой проводили культивирование. Оба штамма одинаково эффективно заражали арабидопсис.

Чтобы проверить, действительно ли штамм SZ47 производит некий убивающий амеб метаболит, ученые проанализировали состав среды, в которой выращивали бактерий. В отсутствие хищника оба штамма имели практически идентичные профили секретируемых во внешнюю среду соединений, среди которых выделялись сирингафактины А и С — соединения, необходимые для размножения. Когда же бактерий культивировали совместно с амебами, среди метаболитов «съедобного» штамма SZ57 присутствовали два деацилированных производных сирингафактина, а SZ47 начинал производить пирофактины A и C. Ни сирингафактины, ни их производные не проявляли амебицидной активности, в то время как пирофактины А и С обладали ей уже в концентрациях 3 и 2 мкг/мл (IC₅₀), соответственно. Под микроскопом ученые наблюдали, как пирофактины лизируют P. pallidum, по-видимому, повреждая мембрану амебных клеток.

Деацилирование сирингафактина — один из необходимых этапов его превращения в токсичные для амеб пирофактины. Однако клетки SZ57 не способны самостоятельно осуществлять эту реакцию, как и многочисленные штаммы других протестированных авторами исследования бактерий и грибков. Зато оказалось, что деацилировать сирингафактин способны сами бактериоядные амебы. Эксперименты показали, что и SZ47, и SZ57 продуцируют сирингафактины, которые деацилируются амебами и частично гидролизуются ими с образованием ряда пептидов, но только SZ47 может завершить цепочку превращений и преобразовывать эти пептиды-предшественники в амебицидные пирофактины. 

Помня о высокой идентичности штаммов SZ57 и SZ47, ученые более детально исследовали их геномы, чтобы найти гены, отвечающие за производство пирофактинов. Анализ выявил у SZ47 СraR — регулятор активности генов, кодирующих ферменты амидазу (CraA) и циклазу (CraC). Они необходимы для окончательного синтеза пирофактина из деацилированного сирингафактина. Бактерии штамма SZ57 такого гена не имели. Как и ожидалось, бактерии P. syringae SZ47 заражали арабидопсис даже в присутствии хищных амеб P. pallidum.

Дальнейший биоинформатический анализ выявил, что регулятор CraR присутствует во многих других «защищенных» штаммах P. syringae — это говорит об универсальности описанного авторами исследования механизма защиты.

Таким образом, ученые охарактеризовали новый механизм защиты патогенных бактерий, поражающих ценные сельскохозяйственные растения, от их природных врагов — хищных амеб. Принцип действия авторы исследования сравнивают с радаром. Бактерии выделяют сирингафактин, который может метаболизироваться амебами. Продукты его метаболизма служат сигналом активации CraR, который запускает экспрессию ферментов, необходимых для дальнейшего преобразования и синтеза пирофактинов — соединений, токсичных для амеб. Ученые считают, что ингибирование этой защитной системы может обеспечить контроль размножения фитопатогенов.

Гусеницы способны обнаружить хищных ос по их электростатическим полям