«Многоклеточные» микроорганизмы синтезируют больше всего полезных метаболитов

В отличие от первичных метаболитов (аминокислот, витаминов), необходимых для базовых клеточных функций, специализированные метаболиты помогают микроорганизмам взаимодействовать между собой, бороться за ресурсы и формировать экологические ниши. Основные гены для их синтеза закодированы в биосинтетических генных кластерах (БГК). Многие такие метаболиты люди используют для создания лекарств.

Переход к многоклеточности — важный эволюционный шаг. Многоклеточным организмам легче обнаруживать ресурсы и противостоять неблагоприятным условиям. Способность образовывать многоклеточные структуры возникала многократно, в том числе у Cyanobacteriota, Myxococcota и Actinomycetota. Cyanobacteriota формирует нитевидные структуры и дифференцированные клетки, выполняющие специализированные функции, такие как фиксация азота в гетероцистах. В ответ на голодание отдельные клетки Myxococcota координируют свои действия, образуя сложные многоклеточные структуры, называемые плодовыми телами. Некоторые таксоны Actinomycetota образуют сложные нитевидные структуры посредством роста гиф, что позволяет им проникать в твердые субстраты. Есть свидетельства того, что многоклеточность ассоциирована с более активным биосинтезом специализированных метаболитов. Исследователи из США проверили это предположение.

Сначала авторы работы проанализировали распределение БГК в 74 порядках бактерий и архей. Оказалось, что 65 из 74 порядков имели 5 БГК и менее, у архей БГК встречаются редко. Но были и порядки с непропорционально большим количеством БГК. Они принадлежали к трем типам: Cyanobacteriota, Myxococcota и Actinomycetota. Не похоже, что дополнительные БГК появились в результате горизонтального переноса генов.

Авторы выяснили, какие черты коррелировали с повышенной способностью к биосинтезу спец специализированных метаболитов у этих типов, а также у Pseudomonadota и Bacillota. Всего они проанализировали 17 844 репрезентативных генома и показали связь с использованием растительных углеводов, а также с многоклеточностью.

Далее исследователи построили филогенетическое древо для 133 родов в классе актиномицетов. В классе можно выделить две клады; представители обеих клад формируют филаменты и мицелий, а также содержат гены, связанные с многоклеточностью. Предположительно, многоклеточность появилась до возникновения класса. Согласно анализу, у последнего общего предка класса была способность к биосинтезу большого количества метаболитов. Вероятно, у некоторых представителей класса БГК потерялись вместе со способностью формировать филаменты и мицелий.

Грибы тоже синтезируют множество полезных продуктов, включая антибиотики, иммунодепрессанты и статины. Они же, например, Ascomycota, могут формировать сложные структуры. Филогенетический анализ 312 геномов грибов показал, что у большинства представителей способность к биосинтезу метаболитов ограничена (10 БГК и менее). Вероятно, для грибов низкий биосинтетический потенциал является предковой чертой. Представители типа Neocallimastigomycota были обогащены БГК. Это анаэробы, населяющие кишечник растительноядных животных и формирующие сложные ризоиды. Возможно, они получили способность к биосинтезу разнообразных метаболитов от бактерий в результате горизонтального переноса генов. У Pezizomycotina расширение способности к биосинтезу совпадает с развитием многоклеточности — формированием макроскопических плодовых тел. У класса Agaricomycetes также много БГК, они же способны к многоклеточности. Интересно, что у грибов большее количество ферментов для расщепления углеводов лучше коррелировало со способностью к биосинтезу сложных метаболитов, чем даже размер геномов.

Таким образом, у большинства микробов способность к синтезу биоактивных специализированных метаболитов ограничена. Авторы показали, что у трех бактериальных и двух грибковых клад повышенная способность к биосинтезу метаболитов совпадает с появлением многоклеточных структур. Вероятно, внутривидовая кооперация способствовала расширению у предковых форм биосинтетического потенциала, направленного на производство специализированных метаболитов.

В слизи бактерии образуют колонии в виде длинных жгутов