1.Социальное поведение бактерий и бактериальные факторы роста

Биологически активное вещество, продуцируемое организмом в окружающую среду и специфически влияющее на поведение или физиологическое состояние других организмов того же вида, называется феромоном,

Феромоны являются важным компонентом жизненного цикла млекопитающих, насекомых, грибов (Kell et aL,1995), В последние годы установлено, что феромоны оказывают огромное влияние на поведение и развитие прокариот.

Известно, что некоторые гракг-отр и нательные бактерии используют в качестве молекулярных регуляторов производные N-ацилгомоссрил-лактона, тогда как некоторые грам-положительные используют пептиды, полипептиды и белки (Kell et al.J995). Считается, что это -фундаментальное отличие и отю свойственно в целом для грам-положителыгых и грам-отрицательных бактерий. В подтверждение этой гипотезы приведем несколько примеров

6

"социального поведения" грам-положительных бактерий. Интереснейшим явлением является спорообразование в культурах Bacillus subtilis. Индуктором этого процесса служит смесь коротких пептидов, отвечающих также за компетентность клеток (Grossman, 1995). Пептидные сигнальные вещества играют чрезвычайно важную роль в отношениях между материнской клеткой и предспорой (Solomon et ah,1995). Классический пример "половых феромонов"- группа линейных гепта- и октапептидов в клетках Streptococcus faecalis (Clewell, 1993), Все же отметим, что для споруляции грам-отрицательной бактерии Myxococcus xanthus роль "феромонов споруляции" выполняли факторы пептидной природы (А-факгор - смесь пептидов и аминокислот, В-фактор -АТФ-зависимая протеаза, С-фактор - белок с молекулярной массой 34кДа) (Dworkin» 1996).

Список физиологических процессов, определяемых различными бактериальными феромонами, можно значительно продолжить. Предполагается, что продукты так называемого вторичного метаболизма (Bulock, 1961) на самом деле являются показателями физиологического состояния популяции и индукторами специфических явлений.

Не вызывает сомнений, что во многих случаях бактериальная популяция действует подобно многоклеточному организму, давая удивительные примеры "социального поведения". Взаимодействия бактериальных клеток выявлены при размножении, переживании неблагоприятных условий и гибели бактериальных культур.

Возникает вопрос, существуют ли феромоны, регулирующие рост и размножение клеток в делящейся бактериальной культуре, или же подобные вещества играют роль только в сложных процессах клеточной дифференциации у эукарнот?

Установлено например, что при разведении бактерий при их засеве, продолжительность лаг периода (времени до начала экспоненциального роста культуры) зависит от плотности засева и количества клеток в инокулятс (при низких плотностях засева лаг-период долгий, при очень низких — деления клеток может не наступить вовсе). Это предполагает определенную степень кооперативности клеток при размножении. Прямые эксперименты с культуральными жидкостями,

1

полученными от активно делящихся бактериальных культур, выявили наличие специфических веществ в культур ал ьных средах (феромонов), стимулирующих деление бактериальных клеток.

В большинстве случаев при анализе роста бактериальной популяции исходно засеваемый инокулят может содержать потенциальные автокринные факторы роста, образовавшиеся яри размножении клеток в предыдущей фазе роста и необходимые для инициации клеточного деления. Однако такие вещества сложно обнаружить в обычных физиологических экспериментах из-за их низкой действующей концентрации.

При перенесении клеток из культуры, находящейся в стационарной фазе, в свежую среду того же состава, они приобретают способность к возобновлению роста только после определенного периода, называемого лаг-фазой.

Несмотря на достаточно длительную историю изучения инокулят - зависимой лаг-фазы у бактерий, идентификация химической природы секретируемых веществ, определяющие это

8

явление, является сложной задачей, и не всегда была доведена до идентификации действующего

вещества. Приведем некоторые известные примеры. Сидерофоры (шизокинины) - переносчики железа - влияли па инокулят-зависимуто лаг-фазу в культурах Bacillus (Lankford et al., 1957). Аналогичное действие оказывали автоклавированные растворы глюкозы (или некоторых других углеводов) и фосфата, хотя автоклавированная отдельно глюкоза имела совсем другое физиологическое действие (Kell and Sonnleiiner, 1995). Добавление Ы-(З-оксигексопоил)-гомосерил-лактоиа к голодавшим в течение б педель клеткам Nilrosomonas enropea приводило к значительному снижению лаг-фазы при росте в свежей среде (Batchelor et al., 1997).

Эти факты ставят под сомнение возможность автономного роста каждой отдельной клетки и предполагают н&тачне межклеточных взаимодействий на различных этапах развития ба ктериал ь по й культур ы.

Взаимодействие между бактериями в популяции сильно напоминает опосредованные специфическими сигнальными веществами отношения между клетками высших организмов. Поэтому, логично предположить, что "язык" общения бактерий может содержать "слова" (специальные молекулы), или "грамматику¹* (способ действия и регуляции), аналогичные таковым высших организмов. Действительно, обнаружено присутствие множества гормоноподобных веществ в бактериях: стероидные и пептидные гормоны (включая инсулин). Во многих бактериях выявлены специфические белки, связывающие гормоны (LeRoith et al., 1986; Levine et al., 1995), В пользу существования у бактерий подобных сигналов говорит то, что недавно цитокины были обнаружены у низших эукариот.

9

С физиологической точки зрения рост и развитие бактериальных культур и ядерных

одноклеточных организмов in vitro имеют много общего, следовательно, логично допустить существование сходных механизмов контроля клеточного деления. Действительно, для одноклеточных организмов цилиат выделены специфические автокринные ростовые факторы, необходимые для нормального деления клеток. При инокулировапии клеток Tetrahytnena ihermophila в концентрациях меньше чем 750 штук на миллилитр в бедную среду, они могли нормально размножаться только в присутствии супернатанта активно делящейся культуры или при добавлении некоторых "индукторов" (например, липидов, спиртов, инсулина, гемиНа и порфиринов) (Wheatley el ah, 1993; Christensen et al.₅ 1998, 1995).

В настоящее время очень хорошо изучены феромоны из цилиат вида Euplotes raikovi, Традиционно эти секретируемые цитокипы (представленные несколькими пептидами с молекулярной массой 4-5кДа) рассматривали как факторы, необходимые только для конъюгации клеток. Оказалось, что они также стимулируют размножение цилиат (Vallesi et al., 1995). Эти цитокины секретируются в виде предшественников, которые подвергаются двум протеолитическим расщеплениям в процессе экзоцитоза. Более того, благодаря механизму альтернативного сплайсинга клетки секретируют каждый гормон в двух формах: мембраино-

10

связанная изоформа(14 кДа) и растворимый белок. Первой форме присущ экстраклеточный домен

на Оконце, аминокислотная последовательность которого идентична таковой растворимого

пептида. Удивительно, что мембранносвязанная форма является рецептором для растворимого

П феромона. Рентгеноструктурный анализ кристаллической формы растворимого летида подтвердил

наличие сильных мсжспиралшых взаимодействий соседних молекул, имитировавших цитокин-

рецепторные взаимодействия, тогда как связывание эффектора и рецептора приводит к агрегации

белков с последующей активацией каскада передачи сигнала и образованию тетрамерных

комплексов па поверхности клеток (Weiss et ah, 1995).

11

Таблица 1. Факторы роста у бактерий.