Кіріспе

Миксобактериялардың грам-теріс, бацилла (немесе таяқша тәрізді) түрі – Myxococcus xanthus, ол көбінесе топырақтың ең үстіңгі қабатында кездеседі. Бұл бактерияларда қамшылар болмайды, олардың орнына пили арқылы қозғалады. M. xanthus басқа микроорганизмдерге шабуыл жасап, оларды жеу арқылы танымал. Бұл бактериялар көміртегін қанттар емес, майлардан (липидтерден) алады. Олар қоршаған ортаның сигналдарына жауап ретінде өзін-өзі ұйымдастырудың әртүрлі формаларын көрсетеді. Қалыпты жағдайда, жеткілікті тамақ болғанда, олар жыртқыш, сапрофиттік, біртұтас биоқабық ретінде тіршілік етеді, бұл олар үшін жасушалық байланыстың маңызды екенін көрсетеді. Аштыққа ұшырағанда олар көпжасушалы даму циклынан өтеді.

Морфология

M. xanthus қамшысыз, грам-теріс таяқшалар түрінде көрінеді. Бұл таяқшалардың орташа ұзындығы 7 микрон, ал ені 0,5 микронды құрайды. Ол IV типті пилюсты (T4P) пайдаланып, "сырғанау" арқылы қозғалады, беткейде иықтап жылжиды. Колония немесе үйір түрінде M. xanthus көбінесе жемге қарай қозғалатын, жұқа толқынды қабаттар түрінде көрінеді. Спора түрінде бактерия қалың сыртқы мембранасы бар шарға айналады. Бұл спора сары-қызыл түсті, сондықтан M. xanthus осылай аталды (xanthós, ежелгі грек тілінде "алтын" деген мағынаны білдіреді). Ол нейтральді ортада өседі, pH 7,2-8,2 аралығында ең жақсы дамиды. Бактериялар мезофильді, 34-36°C температурада жақсы өседі. Басқа Myxococcus бактериялары сияқты, ол міндетті аэроб, яғни жасушалық функцияларын сақтау үшін аэробты тыныс алуға оттегі қажет.

Метаболизм

M. xanthus – химиялық органогетеротроф. Ол тотық-тотығу реакцияларынан энергия алады және органикалық молекулалардан электрон мен көміртекті алады. Бұл бактериялар гликогенді, тармақталған глюкоза полимерін өндіреді және тұтынады, бірақ глюкозаны Эмбден-Мейергоф-Парнас жолы арқылы пируватқа толық түрлендіре алмайды. Жол арқылы өтетін ағын толық емес, тіпті әрбір ферменттің гомологтары геномда болса да. Осы себепті M. xanthus өсу үшін қантқа сүйене алмайды. Толық емес гликолиттік жол липид метаболизміне қажетті субстраттарды өндіреді деп болжанады. M. xanthus көміртекті липид метаболизмі арқылы алады. Бактериялар липидтік реакциялардың кең спектрін көрсетеді, әсіресе липидтік анаболизмде. Олар эфир липидтерін өндіреді, олар прокариоттарға қарағанда эукариоттармен көбірек байланысты. Бұл реакцияларда фосфолипидтер полярлы басқа, глицеринге және екі май қышқылына ыдырайды. Май қышқылдары май қышқылының карбоксилді ұшынан β-тотығу арқылы ыдырайды. M. xanthus әртүрлі май қышқылдарын экспресс етеді. Жасушаларда кемінде 18 түрлі май қышқылы бар, ал көптеген протеобактерияларда 3-5 май қышқылы кездеседі. Май қышқылдарын ұзарту және десатураза ферменттерінің көп болуы осы май қышқылдарының әртүрлілігіне себеп болуы мүмкін. LGT геномның кем дегенде 1,4 Мб-ға кеңеюіне жауапты екені көрсетілді. M. xanthus-тағы эволюциялық механизмдер туралы көп мәлімет жоқ. Алайда, ол Escherichia coli сияқты түрлі жемтіктермен қатар, жалпы жыртқыш қарым-қатынас орната алатыны анықталды. Бұл жыртқыш-жемтік қарым-қатынасында екі түрдің қатар эволюциясы геномдық және фенотиптік өзгерістер арқылы байқалады, нәтижесінде кейінгі ұрпақтарда бір түрдің жақсы бейімделуі екіншісінің эволюциясымен теңдестіріледі, бұл «Қызыл патшайым гипотезасы» деп аталатын коэволюциялық модельге сәйкес келеді. Дегенмен, осы қатар эволюцияны тудыратын M. xanthus-тағы эволюциялық механизмдер әлі белгісіз. 2003 жылы Велицер мен Ю есімді екі ғалым M. xanthus геномның белгілі бір бөліктерін жойды. Бұл клеткалардың жұмсақ агарда тиімді таралуына кедеріс келтірді. Оқшауланған колониялар клондалды және эволюцияға мүмкіндік берілді. 64 аптадан кейін екі популяция да қалыпты жабайы колониялар сияқты сыртқа қарай тарала бастады. Алайда, осы таралу үлгілері жабайы бактериялардың таралу үлгілерінен мүлдем өзгеше болды. Бұл жасушалардың жаңа қозғалыс тәсілін дамытқандығын көрсетті, және Велицер мен Ю жаңа популяциялардың пили жасау қабілетін қалпына келтірмегенін көрсету арқылы осыны растады. Бұл зерттеу жеке жасушалар арасындағы ынтымақтастықтың эволюциясы туралы көп жылдар бойы ғалымдарды толғандырған сұрақтарды қарастырды.

Генетика

M. xanthus геномы бір дөңгелек хромосомадан тұрады, репликацияның бір бастама нүктесі бар және плазмидтер жоқ. 2001 жылы DK1622 штаммының геномы 9,14 Мб екендігі анықталды. Геномның мөлшері басқа протеобактерияларға қарағанда едәуір үлкен, бұл, мүмкін, түрге тән гендердің дубликациялануына байланысты. Геномның 90%-дан астамы белоктерді кодтайтын гендерді қамтиды. 2023 жылы M. xanthus R31 изолятының геномы толығымен секвенирленді, оның көлемі 9,25 Мб құрады. R31 изолятының геномы шамамен 55% негізгі белоктарды, 25% қосымша белоктарды, 13% ерекше белоктарды және 10% изолятқа тән белоктарды кодтайды. Штамға тән гендер басқа штамдарда кездеспейтін эволюциялық және хищниктік қасиеттермен байланысты болуы мүмкін. R31 геномында 18 бөлек геномдық арал және 11 профаг табылды. Геномдық аралдар көлденең гендер алмасу арқылы M. xanthus геномына енгізілді, осылайша бактериялардың бейімделу қабілеті өзгертілді.

Ұжымдық мінез-құлық

М. ксантустың үйірі – миллиондаған бактериялардан тұратын, таратылған жүйе, олардың арасында орталықтандырылмаған қарым-қатынас жүзеге асады. Колония мүшелерінің арасындағы қарапайым өзара әрекеттесу үлгілері "стигмергия" деп аталатын процесте күрделі топтық мінез-құлықты құру үшін бірігеді. Мысалы, бір жасушаның тек басқа жасушамен тікелей жанасқанда ғана жылжуға бейімділігі, бірнеше сантиметрге дейін жететін ені бар "қарышқыр үйірлері" деп аталатын үйірлердің пайда болуына әкеледі. Бұл мінез-құлық үйір мүшелері үшін пайдалы, себебі ол бактериялар бөліп шығаратын жасуша сыртындағы ас қорыту ферменттерінің концентрациясын арттырады, соның салдарынан жыртқыштықпен қоректену жеңілдеді. M. xanthus бактериялар мен кейбір саңырауқұлақтардың кең спектріндегі өлген биомассамен қоректенеді, тірі жасушаларды өлген жасушалардан ажыратады және қажет болған жағдайда жасуша өлімі мен лизисін тудырады. Стрестік жағдайларда бактериялар шамамен жиырма төрт сағат ішінде 100 000-ға жуық жеке жасушалардың жинақталуы нәтижесінде "жеміс денесі" деп аталатын құрылымды құрайды. Бұл процестің басталуы жасушалардың төмен қозғалғыштығымен байланысты. Бірнеше сағаттан кейін жасушалар жасуша тығыздығын арттыру үшін "ағындар" құрайтын және жеміс денесін дамыту үшін қабаттар құра бастайтын жылдам қозғалыс кезеңінен өтеді.

Қозғалыс қабілеті

M. xanthus қозғалыс қабілетінің екі негізгі түрін көрсетеді, олар A және S қозғалыс қабілеттері деп аталады. A қозғалысы (әрекетке құштар), сонымен қатар "сығу" деп те белгілі, бұл флагельдің көмегінсіз, қатты бетте жеке жасушалардың алға жылжуына мүмкіндік беретін қозғалыс әдісі. A қозғалыс жүйесіне 37-ден астам ген қатысады. Бұл қозғалыс түрін жасушаның жасушалық қабығындағы Glt кешендері қамтамасыз етеді, олар Agl деп аталатын молекулалық қозғалтқыш арқылы жұмыс істейді. M. xanthus молекулалық қозғалтқыштары H+ иондарының градиентімен қозғалады. Әрбір бактериялық жасушаның денесі бойында орналасқан моторлар массиві бар, олар жасушалық қаптамадағы периплазмалық кеңістікте орналасқан, бірақ жасуша қабырғасындағы пептидогликан қабатына байланады. Моторлар спиральді цитоскелеттік талшықтармен қозғалатыны болжанады. Glt кешендері мен Agl моторының үйлесімі ошақтық жабысуды қамтамасыз етеді, сыртқы мембранада еркін қозғалуға және субстратпен байланысқа мүмкіндік береді. Ұяшық сыртындағы полисахаридті шылым бетке сығу қозғалысына көмектеседі. Бұл бактериялар алға жылжумен шектеледі және олардың соңында қозғалысқа қарсы келетін артта қалған полюс болады. M. xanthus екінші қозғалыс түрін де пайдалана алады. Бұл қозғалыс әлеуметтік қозғалыс (S-қозғалыс) деп аталады, онда жеке жасушалар қозғалмайды, керісінше, бір-біріне жақын жасушалар қозғалады. Бұл жасушалардың кеңістікте таралуына әкеледі, көптеген кластерлер мен аздаған оқшауланған жеке жасушалар пайда болады, сондай-ақ әртүрлі полисахаридтер кездеседі. S қозғалысы басқа бактериялардағы қимыл-қозғалыс сияқты, IV типті пилидің созылуы мен кері тартылуы арқылы орын алатындықтан, қимыл-қозғалыстың бір түрі болуы мүмкін. S қозғалыс жүйесінің гендері басқа бактерияларда биосинтез, құрастыру және қимыл-қозғалыс функциясына қатысатын гендердің гомологтары болып көрінеді.

Жасушалардың дифференциациясы, жеміс беруі және спороляциясы

Аштық жағдайларына жауап ретінде жасушалар өздерінің ресурстарын түрге тән көпжасушалы жеміс беретін денелерді дамытуға жұмылдырады, бұл денелер тоңдастыққа қатысу арқылы тозымдыққа көмектеседі. Біркелкі жасушалар тобынан бастап, кейбіреулері жеміс беретін денеге жиналады, ал қалғандары вегетативтік күйде қалады. Жеміс денесінің қалыптасуына қатысатын жасушалар таяқша тәрізді пішіндерінен шар тәрізді, жылуға төзімді миксоспораларға айналады, ал шеткі жасушалар таяқша пішінін сақтайды. Олар Bacillus endospores сияқты қоршаған ортаның экстремалды жағдайларына толық төзімді болмаса да, миксоспоралардың құрғату мен мұздатуға салыстырмалы төзімділігі миксобактерияларға маусымдық қиын ортада тірі қалуға мүмкіндік береді. Қоректік заттардың қайта қолжетімді болуымен миксоспоралар өне бастайды, споралық қабықтарын жойып, таяқша пішіндес вегетативтік жасушаларға айналады. Бір жеміс денесінен мыңдаған миксоспоралардың бір уақытта өнуі, миксобактериялардың жаңа колониясының мүшелеріне бірден ынтымақтастықпен қоректенуге мүмкіндік береді. M. xanthus жасушалары аштықтан тәуелсіз түрде қоршаған ортаға төзімді спораларға дифференциациялана алады. Бұл процесс химиялық түрде шақырылған споруляциялау деп аталады және глицериннің және басқа химиялық қосылыстардың жоғары концентрациясымен шақырылады. Бұл споруляциялау процесінің биологиялық маңызы ондаған жылдар бойы олардың табиғи ортасында мұндай жоғары концентрациядағы химиялық индукторларды табудың қиындығына байланысты даулы болды. Алайда, саңырауқұлаққа қарсы әрекет ететін амбрутициннің топырақта күтілетін концентрациялардағы қуатты табиғи индуктор ретінде әрекет ететіні, химиялық түрде шақырылған споруляциялаудың Sorangium cellulosum миксобактериясымен бәсекелестік пен байланыс нәтижесі екенін көрсетеді.

Құлақ салу қабілеті

M. xanthus тобының, ол жем болатын бактериялар шығаратын клеткадан тыс сигналдарды тыңдай алатыны көрсетілді, бұл ұжымның мінез-құлқының өзгеруіне және жыртқыш ретінде тиімділігін арттыруға әкеледі. Ацил гомосерин лактондарының болуымен, яғни олжаның басқа олжаға арналған сигналдарының қатысуымен, M. xanthus миксоспоралардың орнына көбірек өсімдік тәрізді жыртқыш жасушаларға айналады. Бұл миксобактериялардың кеңінен таралуына себеп болған, өте бейімделгіш физиологияны қамтамасыз етеді. Бұл бактериялар сонымен қатар фосфатидилэтаноламин деп аталатын хемоаттрактантқа жауап береді, ол олжа өлгенде бөлінеді. Хемоаттрактант көбірек M. xanthus-ті тартады, нәтижесінде олжа жасушалары толығымен лизис болады. M. xanthus-тың сигналдарды тыңдауы үшін, олжалар арасында сигналдардың жоғары концентрациясы болуы керек, бұл фосфатидилэтаноламиннің бөлінуі кезінде пайда болуы мүмкін, соның арқасында көбірек олжа тартылады.

Жасушааралық байланыс

Жеміс беру және спорациялау процесінде жасушалардың байланысқа түсуі өте мүмкін, себебі аштыққа ұшыраған жасушалар тобы жеміс денелерінің ішінде миксоспораларды құрайды. Клеткааралық сигнал беру спорацияның дұрыс жерде және дұрыс уақытта жүзеге асуын қамтамасыз ету үшін қажет болып көрінеді. Зерттеулер даму гендерінің экспрессиясы және толыққанды жеміс денесінің дамуы үшін қажетті клеткадан тыс сигнал, А факторының бар екенін көрсетеді. Бұл сигнал беру механизмі сонымен қатар айналадағы жиынтықтардың мөлшерін анықтауға қабілетті.

Ғылыми зерттеулердегі маңызы

Миксобактериялардың күрделі өмірлік циклдары оларды гендік реттелуді, сондай-ақ жасушалар арасындағы өзара әрекеттесуді зерттеу үшін өте тартымды модельдерге айналдырады. M. xanthus-тың ерекшеліктері оны зерттеуді өте жеңілдетеді, демек, зерттеу үшін маңызды. M. xanthus-тың зертханалық штаммдары бар, олар шайқағыш культурада планктондық өсуге қабілетті, сондықтан оларды көп мөлшерде өсіру оңай. M. xanthus-та классикалық және молекулалық генетиканың құралдары салыстырмалы түрде жақсы дамыған. M. xanthus-тың жеміс денелері Stigmatella aurantiaca және басқа миксобактериялар құрайтын күрделі құрылымдармен салыстырғанда салыстырмалы түрде қарапайым болғанымен, дамуға қатысы бар деп белгілі гендердің көп бөлігі түрлер арасында сақталады. M. xanthus-тың агар культурасын жеміс денелеріне айналдыру үшін бактерияларды аштық ортасына егу жеткілікті. Глицерин немесе әртүрлі метаболиттер сияқты қосылыстарды ортаға қосу арқылы жеміс денелерінің пайда болуынсыз миксоспоралардың өндірісін жасанды түрде қоздыруға болады. Осылайша, даму циклының әртүрлі сатыларын тәжірибелік түрде бөліп қарастыруға болады.