Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов

Обзор посвящен современным концепциям и данным, свидетельствующим о целостном характере микробных популяций (колоний, био-плёнок и др.) как своеобразных "суперорганизмов". При этом особое внимание уделяется таким явлением как апоптоз, бактериальный альтруизм, эффект кворума, коллективная дифференцировка микробных клеток, формирование структур колониального уровня типа внеклеточного матрикса, а также способам и конкретным агентам межклеточной коммуникации в микробной популяции. Подчёркивается эволюционно-консервативный характер многих средств коммуникации и форм межклеточных взаимодействий, а также роль колониальной организации и межклеточной коммуникации в системах "паразит/комменсал/симбионт –многоклеточный организм-хозяин".

This review covers the modern concepts and recent data demonstrating the integrity and coherence of microbial populations (colonies, bio-films, etc.) as peculiar "superorganisms’. Special attention is given to such relevant phenomena as apoptosis, bacterial altruism, quorum effects, collective differentiation of microbial cells, and formation of population-level structures such as extracellular matrix. Emphasis is placed on the channels and agents of intercellular communication in a microbial population. The involvement of a large number of evolution-conserved communicational facilities and patterns of intercellular interactions is underscored. Much attention is also given to the role of colony organization and intercellular communication in "parasite/commensal/symbiont-multicellular host organism" systems.

Настоящая работа посвящена данным о том, что бактерии и эукариотические одноклеточные организмы существуют в виде целостных структурированных колоний. Подобно колониям многоклеточных животных (кишечнополостных, мшанок) и семьям социальных насекомых и некоторых млекопитающих (бесшерстных кротов), микробные колонии вполне заслуживают название "суперорганизмы". Микробные колонии характеризуются функциональной специализацией слагающих их клеток и предоставляют этим клеткам ряд преимуществ "социального образа жизни", таких как повышенная устойчивость к антибактериальным агентам, более эффективное использование питательных субстратов, особенно в пространственно ограниченных экологических нишах, включая организм многоклеточного животного (растения) как хозяина. Микробные колонии как целостные структуры стали модным предметом исследований в 90-е годы (см. например [1]), однако нельзя забывать разработки на эту тему классиков микробиологии. Корифей отечественной микробиологии И.Д. Иерусалимский фактически предварил сегодняшние дискуссии на тему организации микробных колоний (плёнок, зооглей, флоков и др.), возражая в своей докторской диссертации [2] против примитивного органицизма – прямолинейного уподобления микробной колонии многоклеточному организму (здесь мы опираемся на комментатора И.Д. Иерусалимского Е.Л. Головлева [3]). Положения работ Иерусалимского скорее соответствовали представлению о микробной колонии как надорганизменной (биосоциальной) системе [4, 5], которая, подобно социумам муравьев или даже млекопитающих, характеризуется:

пространственной обособленностью микроколоний каждого вида ("микробных муравейников") в естественных местообитаниях; фенотипической гетерогенностью культуры как основой для дифференциации клеток по социальным ролям; целостностью культуры в процессе развития, наличием у ней интегральных свойств, отсутствующих у отдельных индивидов; способностью колонии влиять на характеристики окружающей среды при достаточной плотности популяции (это свойство ныне отражено в понятии "кворума" – см. ниже).

В работах 80-х годов С.Г. Смирнов высказывает по сути аналогичные взгляды, рассматривая микробную колонию как "пространственно-временной континуум", состоящий из "клеточных кластеров" с различающимися свойствами. Причём, на каждом этапе развития культуры доминирует свой субколониальный кластер [6].

Тема микробной колониальной организации уже разрабатывалась авторами в предшествующих статьях [3, 4, 7], однако настоящая работа привлекает новейшие данные и соответственно расширяет список охватываемых в обзоре рубрик за счёт таких популярных в последние годы направлений исследований как бактериальный апоптоз и альтруизм, эффекты кворума и др.

В последние годы опубликован ряд серьёзных обзорных работ по микробной колониальной организации и био-коммуникации (см., например, [1, 8-16]), однако недостаточно разработанными в литературе остается вопрос о роли эволюционно-консервативных (т. е. химически идентичных или явно гомологичных у различных форм живого) сигнальных молекулах, выступающих как факторы межклеточной коммуникации и социального поведения, а у многоклеточных животных и растений также и в более специализированных ролях (гистогормоны, гормоны, нейромедиаторы). На эволюционно-консервативный характер многих сигнальных молекул ранее обратил внимание А. М. Уголев, обосновывая свою теорию эволюции живого "на основе комбинирования ограниченного числа универсальных функциональных блоков" [17, С. 143]. Для Уголева химические сигналы и рецепторы к ним представляли яркий пример подобных функциональных блоков, которые близки или идентичны у организмов на разных уровнях биологической эволюции.

Из доступных нам работ по микробной коммуникации, существенное внимание к эволюционно-консервативному характеру сигнальных молекул уделяется в работах А.С. Капрельянца с соавт. (см. обзор [14]). Тем не менее, авторы делают основной упор только на белковые/пептидные сигнальные вещества, которые они называют цитокинами по аналогии с внутриорганизменными информонами животных. Настоящая работа поэтому (отдавая дань пептидам и белкам), уделяет значительное внимание непептидным факторам коммуникации, среди которых, наряду с уникальными для микроорганизмов, имеются и разнообразные эволюционно-консервативные агенты, в том числе нейромедиаторы (по функции у многоклеточных животных), которым посвящены собственные исследования авторов [18, 19]. Настоящий обзор также исследует вопрос о роли колониальной организации и межклеточной (особенно плотностно-зависимой) коммуникации во взаимодействиях симбиотической (паразитической) микробиоты и макроорганизма-хозяина.

Форма и структура микробных колоний

Происходящая в настоящее время постепенная смена микробиологической парадигмы – переход от представлений об одноклеточности микроорганизмов к представлению о микробных колониях как целостных "сверхорганизмах" – находит своё отражение в нарастающем интересе к форме, рисунку, макро- и микроструктуре бактериальных колоний. "Колонии практически всех прокариотических видов демонстрируют способность к клеточной дифференцировке и многоклеточной организации. Эта способность, конечно, имеется у бактерий и в их природных местообитаниях, где они в основном существуют в виде био-плёнок, цепочек, матов и микроколоний." [1, p.598]. В современной микробиологии как бы тем самым намечается постепенный переход к биосоциальному ("биополитическому" [3, 4, 19, 20]) подходу к микроорганизмам, чему способствует детальный анализ межклеточных (межпопуляционных) взаимодействий с помощью генетической инженерии, поточной цитофлуориметрии, сканирующего электронного микроскопа, цейтраферной видеосъёмки и т. д.

Многочисленные работы по колониальной организации микроорганизмов свидетельствуют о морфологической и физиологической гетерогенности входящих в её состав клеток. Колония как бы сложена из нескольких различных "тканей" [1, 21] – клеточных кластеров в понимании С.Г. Смирнова [6]. В качестве типичных кластеров у шигелл он рассматривал 1) активно делящиеся; 2) покоящиеся и 3) спонтанно автолизирующиеся клетки [17]. Хорошо известны сходные данные работ А.С. Капрельянца с сотрудниками. Так, популяция голодавшей в течение 3-6 месяцев бактерии Micrococcus luteus состояла из живых, покоящихся и нежизнеспособных клеток, как показывает исследование с помощью клеточного сортера (по связыванию родамина 123) и в бифазной системе водных растворов полимеров [14, 22-24].

Имеется как вертикальная слоистость колонии, так и наличие в ней горизонтально разделённых зон (секторных и концентрических). Вертикальные слои хорошо заметны при наблюдении окрашенных (толуидиновая синяя, метиленовая синяя) срезов колоний. Так, в колониях Escherichia coli [1, 25] иShigella flexneri [21] обнаружены три слоя: 1) нижний окрашенный (толщиной 6 мкм в исследованной колонии E. coli [25]); 2) средний, в основном светлый, по-видимому, сложенный из нежизнеспособных клеток (часто неправильной формы [21]), в который погружены отдельные хорошо прокрашенные жизнеспособные клетки; толщина этого слоя у E. coli – 16 мкм [25]; 3) верхний окрашенный (40 мкм у E. coli), в котором в случае E. coli хорошо заметна дальнейшая дифференциация на два слоя – более нижний тонкий (толщиной 1-3 клеточных слоя), с чёткой границей и особенно ярко окрашенный и толстый слой (40 мкм у E. coli), содержащий отдельные не окрашенные клетки [25]. Интересно, что окраска на β-галактозидазу при использовании генноинженерных штаммов E. coli с геном lac Z даёт в целом сходную картину: узкий слой β-галактозидазосодержащих клеток, прилегающих к субстрату, сменяется (по мере движения вверх) слоем клеток без β-галактозидазы, выше которого лежат β-галактозидазосодержащие клетки. Самый верхний слой колонии имеет смешанное строение, включающее группы β-галактозидазосодержащих клеток и клетки, не содержащие этот фермент [25]. Слои из морфологически и биохимически различающихся клеток наблюдали в колониях возбудителя холеры Vibrio cholera ещё в 1920 г. [26].

Многие исследователи отмечают в своих работах наличие в колониях также системы воздухоносных микрополостей, часто пересечённых "балками" из клеточных тяжей. Сложная система микрополостей фактически превращает колонии в совокупность частично изолированных друг от друга очагов сгущения (микроколоний). Микроколонии, сформированные слизистым матриксом и разделённые открытыми (часто заполняемыми водой) каналами, характерны также и для внутренней структуры био-плёнок. Это своего рода аналог примитивной "циркуляторной системы", доставляющей питательные субстраты и убирающей продукты метаболизма [27]. В колониях бактерии Alcaligenes sp., штамм d2, обнаружены поры и каналы, а также более специализированные структуры ("газовые баллоны"), окруженные своеобразной "мембраной" и содержащие внеклеточные гемопротеины. Предположительно, такие структуры способствуют транспорту О2 к клеткам в колониях (агрегатах), т. е. речь идёт об аналоге дыхательной системы органов [28-30].

Уже отмечено, что помимо вертикальной слоистости, колониям микроорганизмов на плотных средах свойственны также секторные и концентрические зоны. Сектора соответствуют генетически различающимся клонам, что находит своё отражение в их различной окраске, консистенции, форме, скорости роста, активности ферментов и др. Наглядный пример – фазовая диссоциация бактерий на R-, S- и М-формы, различающиеся толщиной клеточной стенки (так, у представителей бруцелл толщина клеточной стенки у R-варианта больше, чем у S-варианта [31]), наличием или отсутствием микрокапсулы, характеристиками фибриллярного (R- и S-варианты) или везикулярно-тубулярного (М-вариант) межклеточного матрикса и др. Фазовые диссоцианты обусловливают различие в архитектонике секторов колоний. В S-варианте клетки родококков распределены по толщине колонии равномерно, число контактирующих между собой клеток невелико [31]. Что касается R-варианта, то в соответствующем секторе клетки нижних слоёв располагаются перпендикулярно или под углом к питательной среде, клетки верхних слоёв – радиально и параллельно к поверхности агара. В М-секторе клетки лежат крупными группами и не контактируют между собой [32].

Концентрические зоны отражают стадии "онтогенеза" бактериальных клеток – они соответствуют различным этапам программ индивидуального развития клеток. Сектора могут быть выявлены (например, у E. coli на минимальной синтетической питательной среде М9) простым визуальным наблюдением [33]. На агаризованной среде с триптоном и глюкозой концентрические круги могут быть выявлены при добавлении в агар 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого, который восстанавливается клетками некоторых (не всех) секторов до окрашенного в красный цвет формазана. В результате колония оказывается состоящей из белых и красных концентрических колец [33]. Шапиро [1, 34] визуализировал эти кольца у E. coli, на индикаторной среде, позволяющей выявить наличие или отсутствие у клеток b -галактозидазной активности (как описано выше, различия по этому параметру имеются и между вертикальными слоями клеток в колонии).

Если на пути распространяющейся бактериальной колонии создают механическое возмущение, например, помещают стеклянные волокна (в естественных местообитаниях роль препятствий могут играть, например, складки и крипты в кишечнике как экологической нише для микробиоты), то возникает лишь локальное изменение в соответствующих концентрических кольцах, которые всё равно не теряют своей непрерывности. Когда препятствие остается позади фронта колонии, кольца формируются за этим препятствием по тем же геометрическим законам, что и в других участках колонии [35]. Немеханическое по своей природе возмущение для нормального развития колонии создаётся в том случае, если клетки несут мутацию по важному для онтогенеза гену. Так, мутант E. coli с повреждённым (путём инсерции) геном ДНК-полимеразы I в первые часы развития формирует аномальные микроколонии из нитевидных клеток. Однако, и в этом случае колония находит пути преодоления дефекта: через 2-4 дня мутанты колонии становятся морфологически неотличимыми от нормальных колоний, клетки – от клеток дикого типа [36]. Преодоление генетического дефекта существенно ускоряется, если по соседству имеются зрелые (возраст 2 дня) нормальные колонии, которые, по-видимому, выделяют диффундирующие химические факторы коммуникации [36]. Более старые колонии заставляют более молодые, также в результате воздействия коммуникативных агентов, "подстраивать" свой возраст под возраст "старших" – например, формироватьвнешние концентрические кольца без предварительного формирования внутренних колец [1] (подробнее о коммуникации у микроорганизмов см. соответствующий раздел обзора).

Если концентрическая зональность колонии сочетается с секторной, то у более быстро растущих секторов концентрические кольца как бы оттянуты к краю [34], т.е. формирование колец регулируется не в пространстве (путем взаимодействия соседних клеток), а во времени (пульсации "биологических часов"). Последнее наиболее очевидно для видов бактерий (например, для представителей р. Proteus, Serratia и Salmonella, для E. coli), периодически формирующих швермеры [37] -- клетки с избыточным количеством жгутиков и не способные к делению. Швермеры формируют колониальную структуру из концентрических террас в результате чередования следующих процессов: 1) рост и деление вегетативных клеток (лаг-фаза перед очередным формированием швермеров); 2) массовое формирование центробежно мигрирующих швермеров; 3) превращение швермеров в вегетативные клетки с формированием очередной "террасы" (стадия консолидации) [38].

Полученные данные о зависимостиритма "биологических часов" от плотности клеточной популяции, в частности, о связи между плотностью инокулята Proteus mirabilis и продолжительностью лаг-фазы перед появлением первой "волны" швермеров, указывает на наличие сложной системы внутриколониальной коммуникации. У Serratia liquefaciens идентифицирована природа химического сигнального агента, представляющего собой ацилированное производное лактона гомосерина [39] (класс распространенных сигнальных молекул грамотрицательных бактерий, см. ниже). По мере развития колонии имеется тенденция ко всё большей синхронизации поведения отдельных клеток со всё более совершенной циркулярной симметрией колонии в целом, вопреки возмущающим факторам [40]. Эта тенденция к синхронному поведению сохраняется при снижении концентрации глюкозы как питательного субстрата и при повышении концентрации агар-агара в среде. В последнем случае снижается скорость перемещения швермеров, чьи жгутики нуждаются в капельно-жидкой влаге, поглощаемой ими из агарового геля с помощью специального полисахарида капсулы [40, 41]. У Serratia marcescens сами клетки вырабатывают увлажняющий циклический липопептид [42]. Существует генетический триггер, переключающий клетки с синтеза белков поздних стадий клеточного деления на синтез белка жгутиков (флагеллина) и таким образом детерминирующий взаимопревращение швермеров и делящихся вегетативных клеток [43].

С точки зрения колониальной организации интересен тот факт, что по агару, ещё не занятому растущей колонией, могут перемещаться только целые группы швермеров. Одиночные клетки, вышедшие за пределы колонии, теряют подвижность до тех пор, пока их не "подхватит" та или иная группа швермеров [1]. Это наблюдение указывает на координацию поведения в масштабе каждой группы. Помимо этого, хорошо известна также координация миграции швермеров в масштабе всей колонии. Таким образом, в колонии бактерий имеется по крайней мере два уровня интеграции:
1) отдельная группа координированно мигрирующих швермеров и 2) вся колония, включающая много подобных групп. Имеется