В 2001 году группа ученых под руководством Кристиана Рудольфа сообщила об открытии нового вида архей. За полтора десятка лет этот вид обрел свое название, а у ученых прибавилось работы. Причем у всех: от филологов до нанотехнологов. Чем же так привлек внимание специалистов этот скромный обитатель европейского водоема?

Трудности перевода

Археи, удостоенные чести быть выделенными в отдельный домен наряду с бактериями и эукариотами, не перестают удивлять ученых. Казалось бы, что еще: необычная структура биомембран, способность к существованию в горячих (щелочных, соленых — нужное подчеркнуть) источниках и водоемах*, разнообразие типов строения клеточной стенки вплоть до ее отсутствия (рис. 1)? 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.

Рисунок 1. Варианты строения клеточной стенки у разных архей. Клеточные стенки архей чрезвычайно разнообразны как по структуре, так и по химическому составу. Характерной поверхностной структурой является S-слой (SL) — своего рода «покрывало» из гликопротеинов, заякоренных в мембране клеток (СМ). У некоторых архей S-слой может дополняться еще одним белковым слоем (PS) — как у Methanospirillum — или отсутствовать. Крайний случай — наличие второй, наружной, мембраны (ОСМ) — как у персонажа этой статьи. Прочие сокращения: GC — гликокаликс; GG — глутаминилгликан; HP — гетерополисахарид; LP — липогликан; MC — метанохондроитин; PM — псевдомуреин.

Всё началось с малоприметной статьи в журнале Applied and Environmental Microbiology, в которой сообщалось об обнаружении новой кокковой формы архей. 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. В большинстве случаев таких неуловимых «новичков» удается идентифицировать методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), 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).

Рисунок 2. Археи Ca. A. hamiconexum в составе биоплёнки. Клетки выглядят «опушёнными» из-за экзополисахаридного матрикса и многочисленных выростов — хамей. Изображение получено с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Дальше — больше: выяснилось, что по строению эти выросты не похожи ни на какие из обнаруженных у прокариот ранее. 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.

Рисунок 3. Микроструктура хамей Ca. A. hamiconexum. А — Скопления выростов, напоминающие ивовые ветви или водоросли. Заметны мельчайшие детали: «крючки» на концах хамей и «шипы». Б — Изображение выроста, полученное методом криоэлектронной томографии. В — 3D-структура, построенная на основе Б. Г — Подробная схема строения отдельного хамуса.

Hami — не хами́

Рисунок 4. Хами, окрашенные флуоресцирующими антителами к их основному белку. Выросты выглядят оранжевыми на фоне окрашенных в синий цвет скоплений ДНК в клетках архей.

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». 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. 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). На этом уровне были выявлены ожидаемые сходства в строении белка хамей с компонентами S-слоев других архей (рис. 1). 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. 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 дополнительный липидный бислой.

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.

Таблица 1. Некоторые свойства структурного белка хамей.

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). 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 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».

Источник: БИОМОЛЕКУЛА