Конкурс «Био/Мол/Текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Лучшее новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Трудности перевода

Археи, удостоенные чести быть выделенными в отдельный домен наряду с бактериями и эукариотами [1], не перестают удивлять ученых. Казалось бы, что еще: необычная структура биомембран, способность к существованию в горячих (щелочных, соленых — нужное подчеркнуть) источниках и водоемах [2], разнообразие типов строения клеточной стенки вплоть до ее отсутствия (рис. 1) [3]? На первый взгляд, вся «экзотика» уже известна. Но так только кажется.

Значительный, если не определяющий, вклад в выживаемость архей в широком спектре условий (вплоть до экстремальных) внесли их уникальные мембраны, характеризующиеся высокой плотностью упаковки, отсутствием фазового перехода в широком диапазоне температур, низкой проницаемостью для воды и ионов и т.д. А для поддержания такой исключительной мембранной кондиции археям нужно было выбрать «правильные» липиды: «Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей» [4]. — Ред.

Всё началось с малоприметной статьи в журнале Applied and Environmental Microbiology, в которой сообщалось об обнаружении новой кокковой формы архей [5]. По месту находки — болоту Зиппенауэр (Sippenauer Moor) в Баварии — микроорганизм назвали SM1. Оказалось, что обитатель холодных придонных вод на глубинах до 25-35 м довольно привередлив: долгое время не удавалось вырастить его в лабораторных условиях. С одной стороны, некультивируемые бактерии — не редкость в мире прокариот [6], [7]. В большинстве случаев таких неуловимых «новичков» удается идентифицировать методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) [8], [9], но здесь исследователей интересовала только чистая культура. Поэтому в ход пошли даже полиэтиленовые сети, специально погружавшиеся на дно водоема и игравшие роль огромных чашек Петри. Наконец в 2005 году труды ученых увенчались успехом: новый вид-кандидат был подробно охарактеризован в составе биоплёнки, но самое главное открылось позднее. На электронных микрофотографиях биологи заметили сотни длинных, до 6–7 мкм, отростков, отходящих от клеток в разные стороны (рис. 2).

Дальше — больше: выяснилось, что по строению эти выросты не похожи ни на какие из обнаруженных у прокариот ранее [10]. Одни определяли их как «жемчужное ожерелье», другие видели в них «колючую проволоку», третьи — «гарпуны» (рис. 3). Этим, наверное, и был обусловлен выбор их названия: hamus — лат. «крючок» (мн. число — hami). Так научный английский пополнился еще одним словом, переходящим во множественное число не по правилам.

Hami — не хами́

В 2015 году рабочая группа из двенадцати научных институтов и лабораторий во главе с Александрой Перрас обобщила результаты своих исследований, посвященных изучению структуры хáмей (назовем их так по аналогии с пилями) «Candidatus Altiarchaeum hamiconexum» — это принятое на данный момент имя нашего «героя» [11]. В частности, был охарактеризован главный структурный белок — сильно гликозилированный фибриллярный полипептид с молекулярной массой 120 кДа. Субъединицы этого белка, уложенные особым образом, формируют субмикрофибриллы, которые, переплетаясь по три, подобно волокнам пеньки в канате, формируют более крупные, видимые в микроскоп фибриллы (рис. 4). Но к чему микробам эти белковые «якоря» и «шипы»?

Само собой, напрашивался вывод об их структурной роли в формировании биоплёнок [12]. Действительно, плотно сомкнутые (рис. 3А) ряды «шиповатых», переплетенных подобно ветвям, фибрилл как нельзя лучше подходят на роль «цемента» для микробного сообщества. Но ученым такой вывод показался слишком простым.

С помощью метагеномного анализа удалось выявить ген, кодирующий основной белок хамей. Раз знаем ген — знаем и аминокислотную последовательность белка. Теперь можно предсказать варианты укладки полипептидной цепи — в этом помогают системы MAFFT (анализ множества линейных последовательностей аминокислотных остатков) и PSIPRED (прогноз вторичной структуры) [13]. На этом уровне были выявлены ожидаемые сходства в строении белка хамей с компонентами S-слоев других архей (рис. 1) [11], [14]. А вот сравнение полученной структуры белка с имеющимися в базе данных pGenThreader позволило «сроднить» его с белками, и вовсе не встречающимися у архей. Два из них — регулятор транспорта гепарина у Bacteroides thetaiotaomicron и ксилоглюканаза Clostridium thermocellum — принадлежат бактериям, третий — белок человека, связывающийся с поврежденными участками ДНК. Если допустить, что третье совпадение случайно, то не обратить внимания на первые два нельзя.

Ксилоглюканазы — ферменты, расщепляющие полисахариды клеточных стенок растений, — играют важную роль в преобразовании соединений углерода бактериями-редуцентами. Нельзя исключить, что хами могут участвовать в питании нашего «кандидата», осуществляя внеклеточное расщепление биополимеров [11]. Сапротрофам выделение экзоферментов свойственно, но вот белковые фибриллы с функцией фермента — это что-то новое!

Сходство же с мембранным белком-транспортёром гепарина лишь подтвердило предположение о возможности происхождения хамей от мембранных белков, вероятно, приобретших в процессе эволюции способность к самосборке. С этой гипотезой согласуется и отсутствие у Ca. A. hamiconexum типичного для архей S-слоя, своеобразной заменой которому служит наружная мембрана.

Архейная «паутина»

Чем больше ученые узнавали о свойствах основного белка хамей, тем больше удивлялись (табл. 1). Известно, что Ca. A. hamiconexum обитает в среде с довольно постоянными условиями: на 35-метровой глубине, в слабокислой, насыщенной сероводородом воде при температуре не выше +10 °С, — однако в условиях опыта хами разрушались только в резко щелочных условиях, а температуру выдерживали и до +70 °С. Непонятно пока, почему у этих микроорганизмов осталась столь широкая свобода действий в деле приспособления к условиям окружающей среды — ведь их условия обитания несравнимы с горячими вулканическими источниками. Мимо этих моментов не прошли нанобиотехнологи, занятые поисками новых биоматериалов. Значительный «рабочий» диапазон температур и рН, в котором хами сохраняют свою структуру, биоразлагаемость, высокая чувствительность к трипсину — все эти свойства могут быть использованы в областях, связанных с хирургией, и особенно тех, где возможно применение врéменных имплантатов.

С середины семидесятых годов ХХ века рассматривается вопрос биотехнологического производства волокна на основе белка паутины. Однако получение «паучьего шёлка» довольно затратно и трудоемко — допускалась даже возможность создания своеобразных паучьих «фабрик». Попытки внедрения генов, кодирующих спидроин (белок паутины), в пресловутую E. coli также не дали плодотворных результатов — выход продукта оказался ничтожным. Такая ситуация отнюдь не редка в случаях, когда масса молекул слишком велика (для белка паутины — 270 кДа) [15]. Ограничение удалось снять только после получения другого, более активного штамма-продуцента.

А что, если попытаться сделать то же самое с генами, ответственными за синтез субъединиц фибрилл Ca. A. hamiconexum? Авторы статьи [11] полагают, что благодаря такому подходу удастся получить «архейный шёлк», не уступающий по своим свойствам паутине, а в чём-то (например, в способности к образованию поперечных сцепок за счет необычной микроструктуры) даже превосходящий ее. Ведь не зря же всё-таки природа придумала и сами хами, и украшающие их «крючки» и «шипы».

Литература

1. Карл Вёзе (1928–2012);
2. Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни;
3. Andreas Klingl. (2014). S-layer and cytoplasmic membrane – exceptions from the typical archaeal cell wall with a focus on double membranes. Front. Microbiol.. 5;
4. Чугунов А. (2014). Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей. Сайт «Теории и практики»;https://www.ibch.ru/press/news/science/1108;
5. Christian Rudolph, Gerhard Wanner, Robert Huber. (2001). Natural Communities of Novel Archaea and Bacteria Growing in Cold Sulfurous Springs with a String-of-Pearls-Like Morphology. Appl Environ Microbiol. 67, 2336-2344;
6. Brune A. and Dietrich C. (2015). The gut microbiota of termites: digesting the diversity in the light of ecology and evolution. Annu. Rev. Microbiol. 69. doi: 10.1146/annurev-micro-092412-155715;10.1146/annurev-micro-092412-155715;
7. Иммуностимулирующие филаментные бактерии: наконец-то они приручены!;
8. Поиск иголки в стоге сена за 10 минут — подсвети себе LAMPой;
9. Yiping W. Han, Tao Shen, Peter Chung, Irina A. Buhimschi, Catalin S. Buhimschi. (2009). Uncultivated Bacteria as Etiologic Agents of Intra-Amniotic Inflammation Leading to Preterm Birth. J Clin Microbiol. 47, 38-47;
10. Christine Moissl, Reinhard Rachel, Ariane Briegel, Harald Engelhardt, Robert Huber. (2005). The unique structure of archaeal ‘hami’, highly complex cell appendages with nano‐grappling hooks. Molecular Microbiology. 56, 361-370;
11. Alexandra K. Perras, Bertram Daum, Christine Ziegler, Lynelle K. Takahashi, Musahid Ahmed, et. al.. (2015). S-layers at second glance? Altiarchaeal grappling hooks (hami) resemble archaeal S-layer proteins in structure and sequence. Front. Microbiol.. 6;
12. Alexander Probst, Christine Moissl-Eichinger. (2015). “Altiarchaeales”: Uncultivated Archaea from the Subsurface. Life. 5, 1381-1395;
13. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
14. Francesco Canganella, Juergen Wiegel. (2014). Anaerobic Thermophiles. Life. 4, 77-104;
15. Hannah Chung, Tae Yong Kim, Sang Yup Lee. (2012). Recent advances in production of recombinant spider silk proteins. Current Opinion in Biotechnology. 23, 957-964.