Группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли обнаружила, что бактерии выделяют вещества, которые стимулируют спаривание у одноклеточных существ Salpingoeca rosetta.
Salpingoeca rosetta относится к типу хоанофлагеллятов (Choanoflagellata), или воротничковых жгутиконосцев. Обитают они в воде. У хоанофлагеллят действительно имеется «воротничок», точнее что-то вроде венчика из плотно прилегающих друг к другу микровосинок. Внутри этого воротничка находится единственный жгутик. Он постоянно движется, создавая ток воды вверх и наружу. С боков, через микроворсинки, внутрь воротничка поступает новая вода, принося с собой частицы пищи, которые отцеживаются воротничном и поглощаются путем фагоцитоза. Многие хоанофлагелляты способны прикрепляться к субстрату противоположным воротничку концом своей клетки. Среди других есть колониальные формы.
Биологи считают хоанофлагеллятов вероятными предками многоклеточных животных. Такая гипотеза возникает, стоит лишь посмотреть на хоаноциты – клетки губок, ответственные за их питание. Они очень похожи на хоанофлагеллятов: тот же жгутик, тот же воротничок из микроворсинок, тот же механизм фильтрационного питания. Поэтому детали биологии хоанофлагеллятов особенно интересны для исследователей. Но, к сожалению, многое из их жизни остается неизвестным.
Например, долгое время было неясно, свойственно ли воротничковым жгутиконосцам половое размножение или же они размножаются исключительно делением. «Ядра воротничковых жгутиконосцев содержат двойной набор хромосом, но половой процесс у них неизвестен», – сообщал учебник зоологии беспозвоночных 2004 года издания.
В лаборатории одного из крупнейших исследователей хоанофлагеллят Николь Кинг (Nicole King) в 2013 году сумели добиться от пресноводного колониального хоанофлагеллята Salpingoeca rosetta полового размножения. Правда, ради этого жгутиконосцев пришлось морить голодом. В условиях ограничения питательных веществ жгутиконосцы удваивали набор хромосом, а потом проходило анизогамное спаривание – более мелкие клетки сливались с более крупными. Затем проходила рекомбинация хромосом, и клетки расходились, обменявшись генетическим материалом. В половом процессе участвовало не более 2 % жгутиконосцев колонии.
В новой работе исследователи сумели добиться более активного спаривания жгутиконосцев этого же вида при помощи неожиданного средства. В эксперименте, который поставила Ариэлль Возница (Arielle Woznica) в среду со жгутиконосцами была добавлена культура бактерий Vibrio fischeri. К удивлению ученых, жгутиконосцы стали активно спариваться. Наличие полового процесса подтвердилось и при генетическом исследовании – у потомства была обнаружена рекомбинация ДНК.
Стадии эксперимента. А – без добавления в среду бактерий жгутиконосцы Salpingoeca rosetta равномерно распределены; B – через 30 минут после появления Vibrio fischeri жгутиконосцы собираются в тесные группы; C – образование пар и слияние клеток жгутиконосцев.
В сотрудничестве с химиками из Гарвардского университета ученые смогли выявить вещество, производящее такой эффект на жгутиконосцев. Им оказался выделяемый бактериями белок, который получил название EroS. Бактериям он нужен для обеспечения пищей. Этот белок забирает у полимеров, входящих в состав оболочки жгутиконосцев, мономеры сахаров. Сами жгутиконосцы воспринимают высокую концентрацию белка EroS как сигнал к половому размножению. Весьма вероятно, что массовое спаривания под влиянием бактериального фермента характерно для воротничковых жгутиконосцев и в природе. Итоги исследования опубликованы на сайте препринтов BioRxiv.org.
«Насколько нам известно, это первое доказательство того, что бактерии регулируют спаривание», – говорит Николь Кинг. Возможно, открытый учеными из Калифорнии эффект поможет обнаружить половое размножение и у других одноклеточных организмов. На данный момент для очень многих из них половой процесс не отмечен в лабораторных условиях. «Возможно, они требуют какого-то сигнала, о котором мы не знаем», – говорит Джозеф Хейтман из Университета Дьюка. – Если это так, многие виды, которые теперь считаются совершенно бесполыми, могут фактически прибегать к половому размножению при правильных условиях. Я думаю, что это будет стимулировать дальнейшую работу».
Николь Кинг при это задумывается над еще одной возможной ролью обнаруженного механизма. Если многоклеточные животные действительно были потомками воротничковых жгутиконосцев, то примечательно, что сперматозоиды животных используют ферменты, схожие с ферментом EroS, для обнаружения яйцеклеток и проникновения вниз. Кинг предполагает, что сигнал спаривания для одноклеточных организмов мог быть использован в новой функции многоклеточными.
Это не первый пример влияния бактерий на Salpingoeca rosetta. В 2012 году Николь Кинг и ее коллеги рассказали в электронном научном журнале eLife, что определенный вид бактерий стимулирует образование колоний у этих жгутиконосцев. Тогда ученые выращивали Salpingoeca rosetta для проекта по секвенированию генома. Чтобы очистить культуру от посторонних бактерий, они использовали антибиотики.
И тут был обнаружен неожиданный эффект. При добавлении одних антибиотиков колонии Salpingoeca rosetta в культуре процветали, при добавлении других – распадались и в культуре преобладали одиночные особи. Ученые предположили, что антибиотики из второй группы уничтожают каких-то бактерий, которые стимулируют образование колоний.
Путем экспериментов они смоли выяснить, что таким свойством обладает бактерия Algoriphagus machipongonensis и другие представители рода Algoriphagus. Им удалось идентифицировать и молекулу – жирную кислоту в сочетании с липидом, получившую название RIF-1, которая находится на поверхности бактерий и служит сигналом для образования колоний. Жгутиконосцы оказались очень чувствительны к RIF-1. Эффект появляется уже при концентрации в одну миллиардную долю.
