2.1. Некоторые аспекты биохимической экологии прокариот: сопоставление с эукариотами

В мире прокариот практически вся экология микроорганизмов, по сути своей, является биохимической экологией. Уже только по одной этой причине невозможно проанализировать проблемы биохимической экологии прокариот в рамках одного раздела или даже одной главы - для этого требуются монографии.

Вместе с тем, даже если мы ограничимся рассмотрением преимущественно проблем биохимической экологии эукариот - как сделано в данной книге, представляется интересным и необходимым хотя бы упомянуть некоторые из аспектов биохимической экологии прокариот, чтобы можно было увидеть, в какой мере имеются общие элементы в биохимической экологии прокариот и эукариот.

Целесообразно отдельно рассмотреть биохимико-экологические аспекты взаимодействий между прокариотическими клетками одного вида и между клетками разных видов.

Подчеркнем, что, как и в случае эукариотных организмов, мы рассматриваем преимущественно нетрофические взаимодействия, т. е. отношения организмов, которые, как правило, не сводятся к переносу энергии и пищевых субстратов от одного трофического уровня к другому. Однако это ограничение гораздо сложнее соблюдать при анализе экологии прокариот, чем в мире эукариот. Границы между трофическими и нетрофическими взаимодействиями у бактерий весьма размыты.

Некоторые важные виды эколого-биохимических взаимодействий между прокариотическими клетками одного вида приведены в табл. 1 и 2.

Один из этих видов взаимодействий опосредуется половыми феромонами. Половые феромоны как явление имеются также у многих типов эукариот - грибов, водорослей, ряда типов животных. Однако феромоны бактерий Streptococcus faecalis существенно отличаются по принципу своего действия. Феромоны S. faecalis представлены несколькими линейными пептидами. Каждому феромону соответствует определенная плазмида в клетках, воспринимающих данный феромон как сигнал для синтеза белка, способствующего слипанию клетки-продуцента феромона и клетки- носителя плазмиды. В результате слипания клеток (conjugation, mating) клетки-носители плазмиды передают копии своих плазмид клеткам-продуцентам феромона. Химически синтезированный пептид имел ту же биологическую активность, что и феромон cADl [Mori et al., 1985].

Таблица 1. Примеры ауторегуляторов некоторых нефотосинтезирующих прокариот (но данным А. С. Хохлова [1988]; и др.)

Важный вид взаимодействий между клетками опосредуется ауторегуляторами. Ряд ауторегуляторов, воздействующих на дифференцировку клеток, спорообразование, антибиотикообразование, установлен у стрептомицетов [Хохлов, 1988; Егоров, Ландау, 1982, 1986].

Есть указания на существование в некоторой степени аналогичных ауторегуляторов и у грибов. Так, клетки Candida albicans образуют вещество, регулирующее морфогенез: оно подавляет переход от дрожжеподобных клеток к мицелиальным и получило название MARS - от morphogenic autoregulatory substance [Наzen, Cutler, 1983].

Еще один тип взаимодействий у прокариот связан с действием бактериоцинов - белков, токсичных для других штаммов этого же вида, лишенных бактериоцинов и плазмид, детерминирующих их биосинтез.

В точности идентичных токсинов у эукариот нет, но описаны штаммы-убийцы у дрожжей. Так, у дрожжей Kluyveromyces lactis имеются штаммы, продуцирующие белковый токсин из трех субъединиц (молекулярная масса 99 000 и 30 000, 27 500), который кодируется в плазмиде kl (8,9 kb) [Stark, Boyd, 1986]. Продуцирование токсина и наличие иммунитета к нему наблюдаются при одновременном наличии у дрожжей, кроме плазмид k1, еще одной плазмиды - k2 (13,4 kb). Токсин действует на другие штаммы К. lactis и на дрожжи других родов, в том числе Saccharomyces cerevisiae.

Таблица 2. Некоторые недостаточно изученные ауторегуляторы, перспективные для дальнейших исследований (по данным А. С. Хохлова [1988]; и др.)

Таким образом, сопоставление биохимической экологии внутривидовых взаимодействий у прокариот и эукариот указывает на существование однотипных эффектов. Вместе с тем имеются и принципиальные различия на уровне конкретных молекулярно- оиологических механизмов и химических структур молекул.

Перейдем к межвидовым взаимодействиям прокариот. Среди них можно выделить две большие группы взаимодействий: 1) опосредуемых летучими метаболитами и 2) опосредуемых водорастворимыми метаболитами.

Первая из них наиболее интересна в связи с экологией почвенных микроорганизмов. Как показывает обобщение и сопоставление работ различных авторов, в этих взаимодействиях могут участвовать и бактерии, и грибы [Звягинцев, 1987], т. е. имеется сходство в этом аспекте биохимической экологии прокариот и эукариот.

Вторая большая группа взаимодействий опосредуется водорастворимыми метаболитами и связана с экологией и водных, и почвенных микроорганизмов.

Ингибирование. Это один из наиболее подробно изученных видов взаимодействий микроорганизмов. И прокариоты и эукариоты (грибы) продуцируют антибиотики с выраженным антибактериальным или антифунгальным действием. Кроме антибиотиков "классического" типа, в последнее время активно изучаются продуцируемые прокариотами и грибами ингибиторы ферментов (см., например, [Безбородов, 1986]). Среди нескольких классов веществ, продуцируемых эукариотами и функционально, по-видимому, аналогичных антибиотикам прокариот, можно назвать аллелопатические вещества водорослей и высших растений.

Стимулирование продуцирования БАВ. Подробно изучена стимуляция образования БАВ (в том числе протеиназ тромболитического действия) микроорганизмами при их культивировании совместно с другими микроорганизмами, не способными к образованию тех же биологически активных веществ (см., например, [Егоров, Ландау, 1986]). Компонентами этой бинарной культуры могут быть и прокариоты (например, Str. rimosus+Str. violaceus) и эукариоты (например, Asp. kanagawaensis + Asp. wentii). Стимуляцию образования БАВ наблюдали и в таких ассоциациях, где один из компонентов был представлен прокариотом, а другой - эукариотом (Aspergillus или дрожжи).

Стимулирование роста. Рост бактерий может быть стимулирован метаболитами про- и эукариот: так, индентифицирован пептидный фактор (молекулярная масса около 1065, включает остатки аспарагиновой кислоты, цистеина, глутаминовой кислоты, глицина и лизина), образуемый дрожжами и стимулирующий рост Lactobacillus sanfrancisco [Berg et al., 1981].

Установлена возможность стимуляции в бинарной культуре двух эукариотных организмов: рост одного из штаммов Candida tropical is усиливается благодаря выделению биотина культурой Candida mycoderma [Егоров, Ландау, 1982].

Симбиоз и синтрофия. Наряду с многими ситуациями тесного симбиоза между прокариотами описаны отношения симбиоза между прокариотами и эукариотом (например, Pseudomonas fluores- cens и Volvox aureus) и основанные па обмене метаболитами отношения симбиоза между эукариотами, например Mucor ramanianus (синтез пиримидина) и Rhodotorula rubra (синтез тиазола) [Зенова, 1986]. Известны и многие другие примеры симбиозов, основанных на обмене метаболитами.

Выше были рассмотрены взаимодействия прокариот (и для сравнения - эукариот), опосредуемые водорастворимыми метаболитами.

Весьма интересен, но не решен вопрос о том, какую роль играют взаимодействия между прокариотами, опосредуемые летучими метаболитами, действующими через газовую фазу (в основном это относится к почвенным микроорганизмам). Доказано, что бактерии и грибы продуцируют широкий набор летучих веществ. Показано ингибирующее действие многих из них на рост, спорообразование и прорастание спор грибов Fusarium spp. и др. (см. [Звягинцев, 1987]). Однако столь же многочисленные данные об ингибирующем действии их на бактерии пока отсутствуют.

Итак, сопоставление некоторых аспектов биохимической экологии про- и эукариот указывает на некоторые общие черты, которые, по-видимому, обусловлены общностью местообитаний и экологических ниш этих организмов.

Необходимо коснуться еще некоторых важных аспектов биохимической экологии прокариот.

Аттрактанты и репелленты. Ориентация и передвижение прокариот в водной среде происходит под существенным влиянием химических веществ, для восприятия которых слуяшт специальные белки, названные methyl-accepting chemotaxis proteins (МСР). Идентифицирован ряд МСР Escherichia coli, в которых происходит метилирование или деметилирование остатков глутамата: 1) белок Tsr (аттрактанты - серин и родственные аминокислоты, репелленты - ацетат, индол и лейцин), 2) Таг-белок (аттрактанты- L-аспартат и мальтоза, репелленты - Ni²⁺ и Со²⁺), 3) Tar-белок (аттрактанты - рибоза и галактоза), 4) Тар-белок (аттрактанты- дипептиды). У Salmonella typhimurinm сходная, но несколько иная система хеморецепции.

У эукариот аттрактанты и репелленты также играют важную роль. Молекулярные механизмы их рецепции изучены недостаточно; в тех случаях, когда они изучены, они отличаются от таковых у прокариот.

Сидерофоры. Обширный круг веществ этого класса выявлен у различных прокариотных организмов. Для эукариот (грибов) аналогичные данные есть, но информации накоплено значительно меньше. Выводы о мере различия или сходства молекулярной структуры и роли сидерофоров у прокариот и грибов делать пока преждевременно.

К этим метаболитам, способным к связыванию железа, относятся феррихром, родоторуловая кислота, ферроксиамины, фуза-ринины, шизокины, энтеро-, агро-, ризо-, и псевдобактрины, фито- сидерофоры.

Сидерофоры могут воздействовать на растения, в том числе сельскохозяйственные, следующим образом.

1. Сидерофоры наряду с антибиотиками могут воздействовать на рост конкурентных микроорганизмов и тем самым участвовать в регуляции состава корневой микрофлоры и роста растений.

2. Сидерофоры могут, связывая Fe, способствовать транспорту его в растения и содействовать минеральному питанию растений.

3. Сидерофоры могут участвовать в активизации вирулентности бактерий и содействовать появлению их патогенности по отношению к растениям.

Образование сообществ, различающих определенные субстраты. Анализ данных, собранных различными авторами (например, см. 17 примеров комплексных микробных сообществ [Зенова, 1986]), показывает, что большинство подобных сообществ включает к себя прокариоты. Однако есть и сообщества, представленные грибами. Так, сообщество Candida intemedia + С. lipolytica осуществляет разложение n-алканов и других углеводородов. Сообщество Penicillium piscarium и Geotrichum candidum разлагает 3,4-дихлорпропионанилид. В других известных сообществах, разлагающих различные ксенобиотики, преобладают оактерии Pseudomonas, Flavobacteriuin и др. Например, алкилбензолсуль-фонаты разлагают четырехчленное сообщество Pseudomonas pu- tida+P. alcaligenes+Arthrobacter globiformis+Serratia marcescens.

Молекулярные механизмы функционирования подобных сообществ далеко не всегда установлены. Думается, что есть некоторая связь между такими сообществами и явлением синтрофнн. Роль упомянутых сообществ весьма значительна ввиду роста химического загрязнения биосферы. Проблема того, как управлять подобными сообществами и их культивировать, представляется актуальной именно в целях борьбы с химическим загрязнением.

Таким образом, все сказанное выше убеждает в существовании 'Общности во многих аспектах биохимической экологии про- и эукариот. При этом следует подчеркнуть существование очень глубоких различий в молекулярных механизмах реализации некоторых экологически универсальных принципов.

Еще одна большая группа фактов, сближающих биохимическую экологию про- и эукариот,- существование многочисленных взаимодействий между прокариотами и эукариотами, опосредованных различными метаболитами или биохимическими механизмами. К такого рода взаимодействиям относятся следующие (перечень не претендует на полноту; пункты расположены в произвольном порядке).

1. Взаимодействия между Rhizobium spp. и бобовыми (среди хемомедиаторов - лютеолин и 7,4-диоксифлавон), между Agrobacterium tumefaciens и некоторыми растениями (среди хемомедиаторов - ацетосирингон и α-оксиацетосирингон) (см., например, [Halverson, Stacey, 1986; Pugsley, 1987]).

2. Биохимические взаимодействия между патогенными бактериями и растениями (имеется сходство даже на молекулярном уровне с взаимодействием между грибами и растениями, см. разд. 2.3); в этих взаимодействиях участвуют различные токсические вещества и ингибиторы ферментов.

3. Негативное воздействие INA-бактерий (ice nucleation active bacteria) на растения путем инициации льдообразования.

4. воздействие бактерий на растения, опосредованное сидерофорами.

5. Ингибирование бактерий веществами растений. В водных экосистемах - продуцирование водорослями многочисленных антибактериальных соединений (например, см. табл. 12). В наземных экосистемах - ингибирование нитрифицирующих бактерий веществами некоторых растений (см.,например, [Райс, 1978]).

6. Взаимодействие между бактериями и животными с участием токсичных веществ. Широко известны многочисленные токсины бактерий. Многие виды животных (особенно водных безпозвоночных) вырабатывают антибактериальные вещества [Wright, 1984;, и др. ].

7. Широкий круг симбиотических ассоциаций между прокариотами, с одной стороны, и эукариотами (в том числе грибами, растениями, животными) - с другой. Некоторые из частных примеров подобных ассоциаций упомянуты в других пунктах этого перечня.

8. Стимулирование образования биологически активных соединений в рамках аменсальных взаимоотношений (например, стимуляция синтеза леворина Str. levoris в присутствии грибов Candida spp.).

9. Стимулирование роста (при совместном обитании грибов и бактерий).

Некоторые (но далеко не все) из упомянутых вопросов подробнее освещены в других местах книги.

Один из основных выводов, который следует из данного раздела,- констатация множества аналогий в биохимической экологии прокариот и эукариот. Вместе с тем биохимические механизмы, формирующие экологические особенности прокариот, часто весьма специфичны и отличаются от биохимических механизмов эукариот, ответственных за явления и процессы, экологически универсальные для про- и эукариот.