От вредного, во что бы то ни было, надо избавляться. Аксиома? Как сказать… Научный сотрудник Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН кандидат биологических наук Владимир ГОРШКОВ убедительно опровергает очевидность этой истины. Он считает, что уничтожение чего-то, на первый взгляд, “нехорошего” может привести к непоправимым последствиям, а ниша заполнится чем-то другим, не исключено, что более опасным. К такому выводу он в очередной раз приходит, изучая процессы взаимодействия макро- и микроорганизмов и формирования интегрированной “надорганизменной системы”. В этом исследовании особое внимание уделяется патогенным организмам, которые, по мнению молодого ученого, занимают важную экологическую нишу.
— Все многоклеточные существа, а это и мы с вами, и все животные и растения нашей планеты, существуют не сами по себе, а в тесной кооперации с микробным миром, — подводит к сути дела Владимир Юрьевич. — Поэтому любой многоклеточный организм надо рассматривать как так называемую надорганизменную систему, в состав которой входит множество микроскопических “постояльцев”. Среди них есть те, что приносят пользу хозяину, — это симбиотические микроорганизмы, а есть и патогены, способные вызывать заболевания.
Этот микромир во многом определяет то, как высший организм развивается и функционирует. И наоборот, особенности физиологии многоклеточного организма определяют то, какая микрофлора должна в нем доминировать. Понимание, как осуществляются “диалоги” макро- и микроорганизмов, в результате которых формируются надорганизменные системы, — важная составляющая науки о жизни.
Для успешного решения фундаментальной проблемы очень важно найти “рабочую лошадку” — экспериментальную модель. В наших исследованиях этой моделью служит система “патоген — хозяин”, включающая фитопатогенную бактерию Pectobacterium atrosepticum (пектобактерию) и растения семейства пасленовых (картофель и табак). На примере этой модели мы пытаемся раскрыть не только частные закономерности, касающиеся “нашей” группы организмов, но и общие принципы взаимодействия растений и микробов. Пектобактерии относятся к одним из наиболее вредоносных фитопатогенов в мире, вызывая хорошо известные заболевания “черная ножка” и “мягкие (или “мокрые”) гнили”. Эти микроорганизмы часто приводят к потерям урожаев до 30%, в связи с чем их называют “чумой растений”.
Взгляд на взаимодействие растений и фитопатогенных микроорганизмов сформировался достаточно однозначный: патогены наносят ущерб человечеству… Следовательно, необходимо найти пути избавления от этих вредителей. Между тем очевидная для обывателя точка зрения в действительности не так однозначна. Патогенным организмам отводится важная экологическая роль: они поддерживают баланс и видовое разнообразие экосистем, влияют на иммунный статус макроорганизмов и регулируют их метаболизм, а также служат фактором естественного отбора. Поэтому патогенные организмы — это нужные компоненты биосферы, и их уничтожение может либо привести к серьезным экологическим последствиям, либо способствовать захвату освободившейся ниши другими патогенами (возможно, более вредоносными). Кроме того, микроорганизмы обладают очень внушительным адаптивным потенциалом, поэтому “стереть с лица Земли” тот или иной вид (штамм) патогена человеку вряд ли под силу. В связи с этим правильнее ставить вопрос о поиске способов предотвращения вреда, причиняемого патогенной микрофлорой. Однако этому мешает то, что мы все еще очень мало знаем об общих законах взаимодействия макро- и микромира и рассматриваем предмет только с двух позиций: “хорошо для человека” и “плохо для человека”. В результате формируется довольно примитивная картина, далекая от реальности, невероятно богатой формами партнерства и противодействия. Это богатство лучше всего характеризуется появившимся не так давно термином “биополитика”. Человеку тоже следует начать участвовать в этой политике, а не действовать прямолинейно довольно грубыми способами, такими как массированное применение бактерицидных и фунгицидных препаратов, промышленных антибиотиков и других средств массового уничтожения.
Важно понимать, что любой организм в норме взаимодействует с патогенной микрофлорой. Причем результат этого взаимодействия в основном никак не выражается внешне, то есть не сопряжен с патологическими процессами. Развитие заболевания — скорее частный случай, а не закономерность. Нужно учитывать, что патогенным организмам не выгодно убивать высший организм, который они колонизируют, поскольку в случае его гибели микроорганизмы лишают себя экологической ниши, ставя под угрозу выживание популяции. Из этого следует: то, что плохо для человека, плохо и для самих патогенных организмов. Поэтому важно иметь представление о конкретном патогене не просто как о вредителе, но и как о функциональном элементе экосистемы, на который природой возложена определенная миссия. То есть в некоторых случаях микроорганизм должен действовать агрессивно. В ходе исследования предстоит выяснить, почему микроорганизмы, способные мирно сосуществовать с организмом хозяина, активируют свой вредоносный потенциал. И, следовательно, это поможет сформировать основу для контроля такого потенциала, но не по принципу “уничтожить”, а используя тактику “не провоцировать”.
Наши исследования механизмов формирования и функционирования сложных систем “паразит — хозяин” можно условно разделить на целый ряд комплементарных направлений, которые в совокупности дают возможность рассматривать решаемую нами научную проблему с разных сторон. Мы надеемся, что это поможет в итоге сделать весомые выводы обобщающего характера.
Одно из наших направлений связано с характеристикой структуры и функций больших по размеру полимеров, которые обеспечивают формирование из клеток микроорганизмов сложных трехмерных мультиклеточных структур. Хорошо известно, что микробные клетки в естественных условиях, как правило, существуют не как обособленные единицы, а формируют подобие многоклеточных организмов: микроколонии, биопленки, агрегаты, бактериальные маты. В недавних исследованиях мы описали новые 3D-структуры, названные нами “бактериальными эмболами”. Формирование этих структур представляет собой специальный тактический прием для колонизации сосудистой системы растения, что обеспечивает “правильное” взаимодействие микроорганизма с организмом-хозяином.
Считается, что сборка “многоклеточных” структур у бактерий обеспечивается активацией синтеза специальных молекул — экстраклеточных полисахаридов. Эти полимеры полифункциональны. Они могут предохранять микроорганизмы от высыхания и действия токсичных соединений, обеспечивать физический контакт между соседними клетками, способствовать прикреплению бактерий к поверхностям, обладать желирующими свойствами, в общем, формировать комфортную микросреду для клеток. Несмотря на признание важной роли бактериальных экстраклеточных полисахаридов в экологии микроорганизмов, до сих пор не ясно, какими особенностями структуры определяются присущие им ценные физико-химические свойства. Эти полимеры малоизучены, а в случае пектобактерий остаются вовсе не исследованными. Сопряжение структуры и функций у сложных полисахаридов вообще задача нетривиальная и экспериментальных разработок в этом направлении крайне мало. Мы планируем расшифровать химическую структуру экзополисахаридов пектобактерий, определить их физико-химические свойства и выяснить, какую роль выполняют эти полимеры во взаимодействии микроорганизмов с растениями. Важно отметить, что исследование сложных углеводных соединений не только служит инструментом в понимании принципов функционирования живых организмов, в том числе в рамках интегрированных надорганизменных систем, но и представляется актуальным с точки зрения биотехнологии. Ценные свойства экстраклеточных полисахаридов могут быть в перспективе использованы для создания инновационных биоматериалов.
Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации
предоставлены В.Горшковым
Фото №1: Владимир Горшков
Фото№2: Гниль клубня
Фото №3: Растения картофеля: (1) стерильные и (2, 3) инфициро-
ванные пектобактериями. (2) Симптомы “черной ножки”
(стрелка). (3) Симптомы бактериального увядания.
Фото №4: Бактериальные эмболы
Нет комментариев