Введение

Слизкая бактерия

Myxococcus xanthus – это грамотрицательный, бацилловидный (или стержнеобразный) вид миксобактерий, который обычно встречается в верхнем слое почвы. Эти бактерии лишены жгутиков, вместо этого они используют пили для передвижения. M. xanthus хорошо известен своим хищническим поведением по отношению к другим микроорганизмам. Эти бактерии получают углерод из липидов, а не из сахаров. Они демонстрируют различные формы самоорганизации в ответ на сигналы окружающей среды. В нормальных условиях при достаточном количестве пищи они существуют в виде хищных, сапрофитных монокультурных биопленок, называемых роем, что подчеркивает важность межклеточного взаимодействия для этих бактерий. В условиях голодания они переходят к многоклеточному циклу развития.

Морфология

M. xanthus выглядят как грамотрицательные палочки без жгутиков. Эти палочки имеют среднюю длину 7 микрон и ширину 0,5 микрон. Они используют пилюс IV типа (T4P) для передвижения скользящим образом, ползая по поверхности. В виде колонии или роя M. xanthus выглядят как тонкий слой волн, часто направляющихся к добыче. В форме споры бактерия становится сферой с толстой внешней мембраной. Эта спора имеет жёлто-оранжевый цвет, что и дало M. xanthus его название (xanthós, древнегреческое слово, означающее "золотой"). Это нейтрал, лучше всего растущий при pH 7,2–8,2. Бактерии являются мезофилами, оптимально растущими в диапазоне температур 34–36°C. Как и другие бактерии Myxococcus, это облигатный аэроб, то есть для аэробного дыхания им необходим кислород для поддержания клеточных функций.

Метаболизм

M. xanthus является химиоорганогетеротрофом. Он получает энергию из реакций окисления-восстановления и извлекает как электроны, так и углерод из органических молекул. Эти бактерии производят и потребляют гликоген, разветвленный полимер глюкозы, но не способны полностью преобразовать глюкозу в пируват посредством пути Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Поток веществ через этот путь неполный, несмотря на наличие гомологов каждого фермента в геноме. По этой причине M. xanthus не может использовать сахара для роста. Предполагается, что неполный гликолитический путь производит субстраты, необходимые для метаболизма липидов. M. xanthus полагается на метаболизм липидов как источник углерода. Бактерии демонстрируют широкий спектр липидных реакций, особенно в липидном анаболизме. Они производят эфирные липиды, которые чаще ассоциируются с эукариотами, чем с прокариотами. В этих реакциях фосфолипиды расщепляются на полярную головку, глицерин и две жирные кислоты. Жирные кислоты подвергаются β-окислению на карбоксильном конце. M. xanthus экспрессирует большое разнообразие жирных кислот. Клетки содержат по крайней мере 18 различных жирных кислот, в то время как у большинства протеобактерий их насчитывается от 3 до 5. Избыточность ферментов удлинения жирных кислот и десатураз может способствовать этому разнообразию. Показано, что горизонтальный перенос генов (LGT) ответственен за расширение генома как минимум на 1,4 Мб. Очень мало известно об эволюционных механизмах, присутствующих у M. xanthus. Однако было установлено, что он способен устанавливать отношения хищник-жертва с различными организмами, включая Escherichia coli. В этих отношениях наблюдается параллельная эволюция обоих видов посредством геномных и фенотипических модификаций, приводящая в последующих поколениях к лучшей адаптации одного из видов, которая, в свою очередь, уравновешивается эволюцией другого, следуя модели соэволюции, известной как гипотеза «Красной Королевы». Однако эволюционные механизмы, лежащие в основе этой параллельной эволюции у M. xanthus, остаются неизвестными. В 2003 году два ученых, Велицер и Ю, удалили определенные участки генома M. xanthus. Это привело к тому, что клетки потеряли способность эффективно роиться на мягком агаре. Изолированные колонии были клонированы и оставлены для эволюции. Через 64 недели две из развивающихся популяций начали роиться наружу почти так же эффективно, как и дикий тип. Однако структура роя значительно отличалась от структуры диких бактерий. Это указывало на то, что клетки разработали новый способ передвижения, что было подтверждено Велицером и Ю, показавшими, что новые популяции не восстановили способность к синтезу пилей. Это исследование затронуло вопросы эволюции кооперации между отдельными клетками, которые долгое время оставались нерешенными для ученых.

Генетика

Геном M. xanthus состоит из одной кольцевой хромосомы с единственным началом репликации и не содержит плазмид. В 2001 году размер генома штамма DK1622 был определен как 9,14 Мб. Размер генома значительно превышает таковой у других протеобактерий, что, вероятно, связано с дупликацией генов, характерной для данной линии. Более 90% генома составляют гены, кодирующие белки. В 2023 году был секвенирован полный геном изолята R31 M. xanthus, размер которого составил 9,25 Мб. Геном изолята R31 кодирует примерно 55% основных белков, 25% дополнительных белков, 13% специфических белков и 10% белков, уникальных для данного изолята. Гены, специфичные для штамма, вероятно, связаны с эволюционными и хищническими особенностями, не встречающимися в других штаммах. В геноме R31 было обнаружено 18 различных геномных островов и 11 профагов. Геномные острова были включены в геном M. xanthus посредством горизонтального переноса генов, что повлияло на адаптивность бактерии.

Коллективное поведение

Рой M. xanthus представляет собой распределенную систему, состоящую из миллионов бактерий, которые общаются между собой децентрализованно. Простые модели кооперативного поведения отдельных членов колонии объединяются, формируя сложные групповые паттерны в процессе, известном как "стигмергия". Например, тенденция клетки двигаться только при непосредственном контакте с другой приводит к образованию колонией роев, называемых "волчьими стаями", которые могут достигать нескольких сантиметров в ширину. Такое поведение выгодно для бактерий роя, поскольку оно повышает концентрацию внеклеточных пищеварительных ферментов, выделяемых ими, тем самым облегчая хищническое питание. M. xanthus питается мертвой биомассой широкого спектра бактерий и некоторых грибов, различая живые и мертвые клетки и вызывая гибель клеток и лизис при необходимости. В стрессовых условиях бактерии проходят процесс, в ходе которого около 100 000 отдельных клеток агрегируют, формируя структуру, называемую плодовым телом, в течение примерно двадцати четырех часов. Начало этого процесса характеризуется низкой подвижностью клеток. Через несколько часов клетки внезапно переходят в фазу быстрого движения, в течение которой они формируют "потоки" для увеличения плотности клеток и начинают формировать слои для развития плодового тела.

Мотильность

M. xanthus проявляет два основных типа подвижности, известные как A-подвижность и S-подвижность. A-подвижность (стремительная), также известная как "скольжение", – это метод передвижения, позволяющий отдельным клеткам двигаться вперед на твердой поверхности без использования жгутиков. В системе A-подвижности участвует более 37 генов. Эта форма подвижности обеспечивается комплексами Glt в клеточной оболочке, которые приводятся в действие молекулярным двигателем Agl. Молекулярные двигатели в M. xanthus работают за счет градиента ионов H+. Каждая бактериальная клетка имеет множество двигателей вдоль тела клетки, локализованных в периплазматическом пространстве клеточной оболочки, но связанных с пептидогликановым слоем клеточной стенки. Предполагается, что двигатели перемещаются по спиральным цитоскелетным нитям. Комбинация комплексов Glt с двигателем Agl обеспечивает точечное прикрепление и свободное перемещение во внешней мембране, а также контакт с субстратом. Внеклеточный полисахаридный слизь способствует скольжению по поверхности. Эти бактерии ограничены движением вперед и имеют отстающий полюс на противоположном конце от направления движения. M. xanthus обладает способностью использовать второй тип подвижности – социальную подвижность (S-подвижность), при которой не отдельные клетки, а группы клеток, расположенные близко друг к другу, совершают движение. Это приводит к пространственному распределению клеток с образованием множества кластеров и небольшого количества изолированных одиночных клеток, а также к разнообразию полисахаридов. S-подвижность, вероятно, является вариантом дергательной подвижности, поскольку она опосредована удлинением и втягиванием пилей типа IV, которые исходят из ведущего полюса клетки. Гены системы S-подвижности, по-видимому, являются гомологами генов, участвующих в биосинтезе, сборке и функционировании дергательной подвижности у других бактерий.

Дифференциация клеток, плодоношение и споруляция

В ответ на голодание клетки направляют свои ресурсы на развитие специфических для вида многоклеточных плодовых тел, способных содействовать социальному сотрудничеству при хищничестве. Начиная с однородной популяции клеток, часть из них агрегирует в плодовые тела, а остальные остаются в вегетативном состоянии. Клетки, участвующие в формировании плодового тела, трансформируются из палочковидных в сферические, термостойкие миксоспоры, в то время как периферические клетки сохраняют палочковидную форму. Хотя они и не так устойчивы к экстремальным условиям окружающей среды, как эндоспоры Bacillus, относительная устойчивость миксоспор к высыханию и замораживанию позволяет миксобактериям переживать сезонно неблагоприятные условия. Когда источник питательных веществ становится вновь доступным, миксоспоры прорастают, сбрасывая споровую оболочку и превращаясь в палочковидные вегетативные клетки. Синхронное прорастание тысяч миксоспор из одного плодового тела позволяет членам новой колонии миксобактерий немедленно приступить к совместному питанию. Клетки M. xanthus также могут дифференцироваться в устойчивые к окружающей среде споры независимо от голодания. Этот процесс, известный как химически индуцированная споруляция, запускается присутствием глицерина и других химических соединений в высоких концентрациях. Биологические последствия этого процесса споруляции оставались предметом споров на протяжении десятилетий из-за маловероятности обнаружения таких высоких концентраций химических индукторов в их естественной среде обитания. Однако обнаружение того, что противогрибковое соединение амбрутицин является мощным природным индуктором в концентрациях, которые, как ожидается, присутствуют в почве, позволяет предположить, что химически индуцированная споруляция является результатом конкуренции и взаимодействия с продуцирующей амбрутицин миксобактерией Sorangium cellulosum.

Способность подслушивать

Было показано, что рой M. xanthus способен перехватывать внеклеточные сигналы, производимые бактериями, на которых он охотится, что приводит к изменениям в поведении роя и повышает его эффективность как хищника. В присутствии ацил-гомосерин-лактонов – сигналов, вырабатываемых жертвами для других жертв – M. xanthus трансформируется в более вегетативные хищные клетки, а не в миксоспоры. Это обеспечивает высокую адаптивность, которая, вероятно, способствовала почти повсеместному распространению миксобактерий. Эти бактерии также реагируют на хемоаттрактант, называемый фосфатидилэтаноламином, который выделяется при гибели жертвы. Хемоаттрактант привлекает больше M. xanthus, обеспечивая полный лизис клеток жертвы. Для перехвата сигналов M. xanthus необходима высокая концентрация сигналов между жертвами, что может происходить при высвобождении фосфатидилэтаноламина, тем самым привлекая больше жертв.

Межклеточная связь

Очень вероятно, что клетки взаимодействуют друг с другом в процессе плодоношения и споруляции, поскольку голодающая группа клеток формирует миксоспоры внутри плодовых тел. Межклеточная сигнализация, по-видимому, необходима для того, чтобы споруляция происходила в правильном месте и в нужное время. Исследования подтверждают существование внеклеточного сигнала, фактора А, который необходим для экспрессии генов развития и для формирования полноценного плодового тела. Этот сигнальный механизм также способен оценивать размер окружающих агрегатов.

Значение в научных исследованиях

Сложные жизненные циклы миксобактерий делают их очень привлекательными моделями для изучения регуляции генов и взаимодействия клеток друг с другом. Характеристики *M. xanthus* облегчают его изучение и, следовательно, делают важным объектом для исследований. Доступны лабораторные штаммы *M. xanthus*, способные к планктонному росту в шейкер-культуре, что позволяет легко выращивать их в больших количествах. Инструменты классической и молекулярной генетики относительно хорошо разработаны для *M. xanthus*. Хотя плодовые тела *M. xanthus* относительно примитивны по сравнению со сложными структурами, формируемыми *Stigmatella aurantiaca* и другими миксобактериями, подавляющее большинство генов, известных как участвующих в развитии, консервативны у разных видов. Чтобы агаровые культуры *M. xanthus* образовали плодовые тела, достаточно просто засеять бактерии на среды для культивирования в условиях голодания. Возможно искусственно индуцировать образование миксоспор, минуя стадию формирования плодовых тел, путем добавления в среду таких соединений, как глицерин или различные метаболиты. Таким образом, различные стадии цикла развития можно экспериментально изолировать.