Генетика хемотаксису бактерій.

Бактерії здатні реагувати не на будь-які, а тільки на певні, хімічні сполуки. Більш того ці сполуки є різними для різних бактерій. Такі речовини називають хемоефекторами.

Серед ефекторів є речовини, що приваблюють бактерій, – атрактанти, і речовини, які їх відлякують, – репеленти.

У поверхневих структурах бактеріальної клітини є спеціальні білкові молекули – рецептори, що специфічно з'єднуються з певним еффектором. При такій взаємодії молекула еффектора не змінюється, а в молекулі рецептора відбуваються конформаційні та інші зміни.

У більшості бактерій є рецептори, що сприймають молекулярний кисень, протони, у багатьох є рецептори, що сприймають амінокислоти, цукри. Так, наприклад, кишкова паличка – Escherichia coli має близько 20 різних типів рецепторів. На поверхні клітини кишкової палички міститься близько 25 тис. рецепторних молекул.

Завдяки цим рецепторам бактерії мають хемотаксис.

Хемотаксис – це властивість організмів переміщатися до певних хімічних речовин (атрактанти) і віддалятися від інших (репеленти).

Рухливих бактерій приваблює безліч хімічних речовин. Хеморецептори чутливі до специфічних хімічних речовин, які не виробляються організмом бактерії.

Отримано десятки мутантних клонів E. coli, у яких відсутній позитивний хемотаксис до багатьох речовин (наприклад, до цукрів, амінокислот і кисню), які приваблюють Е. coli дикого типу, навіть, незважаючи на те, що мутантні бактерії цілком зберігають рухливість і мають повний набір нормальних джгутиків. Мутанти реагують на всі звичайні подразники, крім особливих атрактантів, здатність відповідати на які в них втрачена.

Для сильних атрактантів – цукрів (N-ацетилглюкозаміну, фруктози, галактози, глюкози, мальтози, манітолу, рибози, сорбітолу й трегалози) описано дев'ять хеморецепторів. Два – призначені для виявлення амінокислот (аспартату й серину).

На генетичній карті Е. coli були локалізовані гени рухливості й хемотаксису, що включають такі локуси:

· curly (він пов'язаний з ушкодженням білка джгутиків і зі зміною їхніх рухів, так що можливі тільки обертові рухи);

· motile (джгутики нормальні на вид, але не можуть рухатися);

· flagella (відсутність джгутиків, нерухомість);

· chemotaxix (хемотаксис відсутній при збереженні рухливості; локус включає три гени).

У E. сoli хемотаксис можна спостерігати, якщо вставити капілярну трубу, заповнену атрактантом, або репелентом, у пробірку, яка містить бактеріальні клітини в рідкому агаризованому середовищі (Рис. 3.4).

Якщо капіляр містить нейтральний хімікат, що ані приваблює, ані відлякує, бактеріальні клітини байдужні до нього та залишаються однорідно розсіяними всюди в середовищі (A).

Якщо капіляр містить атрактант, рух клітин направлений до устя (вхідного отвору) капіляра, і, в остаточному підсумку, клітини в нього проникають (Б).

Якщо капіляр містить репелент, клітини відпливають від нього (В).

 

Рис.3.4. Хемотаксис у E. сoli у рідкому агаризованому середовищі в присутності хімічних сполук нейтральної дії (А), атрактивної дії (Б) і репелентної дії (В).

 

Більшість атрактантів – живильні речовини, такі як цукор і амінокислоти, тоді як більшість репелентів – шкідливі речовини або продукти виділення, наприклад, кислоти або спирти. Отже, відповідь хемотаксису важлива для бактеріальних клітин, оскільки забезпечує їхнє переміщення у середовище із сприятливими умовами або віддалення від шкідливих умов.

У відсутності атрактантів або репелентів, клітини рухаються хаотично. У присутності атрактанту періоди просування в напрямку до нього стають більш тривалими, а періоди переміщення в іншому напрямку - більш рідкісними й короткими, тобто в цілому траєкторія руху клітин спрямована до джерела атрактанту. Дія репелентів протилежна, і, отже, клітини поступово розсіюються від їхнього джерела.

Виявлення мутацій, що порушують хемотаксис у бактерій, дозволило встановити генетичні компоненти даного типу відповіді.

Фенотипи мутацій хемотаксису підрозділяють на п'ять категорій:

1. «Специфічна відсутність хемотаксису» означає, що клітини мутанта не проявляють відповідь на специфічний атрактант або репелент. Наприклад, галактоза - атрактант. Фенотип мутанта, що не в змозі відповідати позитивним хемотаксисом на галактозу, що й відрізняє його від бактерій дикого типу, демонструє «відсутність хемотаксису, специфічного для галактози». Наслідком мутації в іншому гені є фенотип специфічної відсутності позитивного хемотаксису до глюкози.

2. «Множинна відсутність хемотаксису» стосується фенотипів не здатних проявляти відповідь хемотаксису на групу хімічно незв'язаних речовин. Наприклад, мутації в гені tsr приводять до нездатності мутантів відповідати на присутність атрактанта – амінокислоти серину або репелентів – індолу, лейцину й ацетату. Мутанти c множинною відсутністю хемотаксису утворять чотири групи комплементації, відповідно до яких визначають чотири гени – tsr, tar, trg, і tap.

3. «Загальна відсутність хемотаксису» – це нездатність відповідати на будь-який атрактант або репелент. Незважаючи на те, що в таких мутантів є нормальні джгутики, так само як апарат, необхідний для того, щоб переключити напрямок їхнього обертання, вони не здатні керувати обертанням джгутиків у відповідь на атрактанти або репеленти. Мутації загальної відсутності хемотаксису можуть бути об'єднані в шість груп комплементації залежно від гена, що є важливим для будь-якого виду хемотаксису: cheA, cheB, cheR, cheW, cheY, і cheZ.

4. Мутації в моторних компонентах джгутиків викликають відсутність хемотаксису через дефекти апарату, що керує перемиканням між напрямками обертання джгутиків. Ці мутанти або безупинно рухаються (пливуть), або безупинно «падають», залежно від специфічного типу мутації. За допомогою генетичного аналізу мутацій у моторних компонентах були встановлені три гени, необхідні для того, щоб бактеріальна клітина була здатна переключатися між «плаванням» і «падінням»: fliG, fliM, і fliN.

5. Нерухливі мутанти – це мутанти, які нездатні ані «плавати», ані «падати», тобто вони нерухомі. Мутації нерухливості включають велику кількість різних генів, які необхідні для синтезу або роботи джгутиків.

Аналіз мутацій виявився важливим для розуміння процесу хемотаксису бактерій. Наприклад, кореляція між напрямком обертання джгутиків і станом («плавання» або «падіння») клітин була встановлена при спостереженні за двома типами мутацій у моторних компонентах джгутиків.

Всі гени, задіяні в хемотаксисі, були клоновані й секвеновані, і їхні генні продукти були ідентифіковані.

Хемотаксис бактерій дикого типу вимагає наявності ряду білків, так званих хемосенсорів, кожний з яких зв'язується з певним атрактантом або репелентом. Як приклад хемосенсору можна навести галактоза-зв'язуючий білок і переносник глюкози.

Відомо більше ніж 20 різних хемосенсорних білків; близько половини з них зв'язуються з атрактантами, а інша половина - з репелентами. Мутації у генах, що кодують хемосенсорні білки, призводять до відсутності хемотаксису.

Пристосувальне значення хемотаксису доведене експериментально. Наприклад, форми холерного вібріона з порушеним хемотаксисом виявляються менш хвороботворними (вірулентними), ніж вихідні. За рахунок хемотаксису до корінців рослин наближаються симбиотичні або паразитичні бактерії, кореневі виділення іноді сприймаються ними на відстані до 10 см (величезна для бактерії відстань).

Крім хемотаксису бактерії можуть проявляти й інші поведінкові реакції:

· фототаксис, характерний для бактерій, що використовують світло як джерело енергії;

· віскозітаксис, при якому бактерії прагнуть до середовища з більшою в'язкістю (характерний для деяких патогенних бактерій);

· термотаксис - рух убік підвищення або зниження температури;

· магнетотаксис - здатність деяких бактерій плисти уздовж ліній магнітного поля (у клітинах таких бактерій, називаних магнетобактеріями, знаходяться кристалики залізовмісних мінералів (наприклад, магнетиту), що орієнтуються уздовж ліній магнітного поля як стрілка компаса).

 

Нову незвичайну «електричну» поведінку бактерій Shewanella oneidensis виявили американські біологи. З'ясувалося, що S. oneidensis дуже полюбляють металеві частки, підпливають до них, сідають на них, знову «тікають», активно пересуваються поблизу об'єкта, знову сідають. При уповільненій зйомці виявилося, що щораз при наближенні до металевих часток мікроорганізми починали активно рухатися. Бактерії демонстрували подібну поведінку й поблизу електрода батареї. При цьому, як тільки електрод переставав працювати, активне плавання припинялося.

Рис.3.5. Бактерії Shewanella oneidensis

 

Така поведінка бактерій одержала назву електрокінеза (electrokinesis). Імовірно, бактерії під час контакту з металом збирали за допомогою хімічної реакції енергію, потім кілька хвилин активно пересувалися й знову сідали для «підзарядки».

На жаль, генетичні основи багатьох поведінкових реакцій бактерій вивчені поки недостатньо.