Таксис бактерий

Таксис бактерий — это направленное движение бактерий по градиенту концентрации химических веществ (эффекторов), обладающих свойствами хемоаттрактантов или репеллентов.

Механизм движения

В обычных условиях траектория движения, например, перитрихиальных бактерий (имеющих жгутики по всей поверхности клетки), состоит из двух фаз:

  • Пробежки: короткие прямолинейные движения продолжительностью 1–2 секунды.
  • «Дрожание»: ещё более короткие (около 0,2 секунды) хаотичные остановки с изменением ориентации клетки.

Такая траектория подчиняется стохастической (случайной) зависимости, так как поиск оптимальной концентрации питательных веществ в среде носит вероятностный характер.

При появлении в среде градиента хемоаттрактанта или репеллента поведение меняется: всё бактериальное сообщество начинает двигаться линейно — либо по направлению к веществу, либо от него. Фаза «дрожания» подавляется, что делает движение целенаправленным.

Молекулярные основы процесса

Процесс таксиса — сложная цепь событий:

  1. Рецепция: На поверхности клетки образуются комплексы «хемоаттрактант–рецептор» или «репеллент–рецептор». Это переводит молекулу рецептора в возбуждённое состояние.
  2. Сигналинг и адаптация: Между рецептором и жгутиковым аппаратом находится система унификации и суммирования разнородных сигналов в единый интегрированный сигнал таксиса. Ключевую роль в этом играют метилакцептирующие белки (МАБ), а также вторичные посредники — 3',5'-циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) и ионы кальция.
  3. Исполнение: Сформированный сигнал, вероятно, с помощью изменений мембранного потенциала, передаётся к базальным тельцам жгутиков, что меняет характер их вращения и направление движения клетки.

Спектр воспринимаемых веществ

Набор веществ, на которые реагируют бактерии, чрезвычайно разнообразен и специфичен для каждого вида. Например, для кишечной палочки (Escherichia coli):

  • Хемоаттрактанты: многие аминокислоты, моносахариды.
  • Репелленты: спирты, амины, ионы кобальта и никеля, сероводород, индол, некоторые аминокислоты, а также неблагоприятные факторы среды — низкая температура и низкий pH.

Биологическое значение и методы изучения

Таксис позволяет бактериям активно искать источники питания и занимать специфические экологические ниши. Этот механизм, вероятно, играет роль в патогенезе, способствуя прикреплению холерного вибриона (Vibrio cholerae) и других бактерий к поверхности эпителия слизистых оболочек.

Для определения таксиса предложено несколько методов. Наиболее простой (капиллярный тест) заключается в следующем:

  1. Один конец тонкого капилляра, заполненного раствором с тестируемым хемоаттрактантом, погружают в суспензию бактерий.
  2. Через 30–60 минут содержимое капилляра извлекают и высевают на чашку Петри с плотной питательной средой.
  3. После суточной инкубации подсчитывают число колониеобразующих единиц (КОЕ), что позволяет количественно оценить силу хемотаксического ответа.

Современный контекст

Современные исследования значительно углубили понимание молекулярных основ бактериального таксиса. Установлено, что ключевую роль в передаче сигнала играет фосфотрансферная система (система двухкомпонентной регуляции), где гистидинкиназа CheA фосфорилирует регуляторный белок CheY. Фосфорилированный CheY взаимодействует с моторным комплексом жгутика, вызывая его переключение. Процесс адаптации (возврата к исходной чувствительности после воздействия стимула) обеспечивается метилированием и деметилированием рецепторов ферментами CheR и CheB соответственно. Эти механизмы позволяют бактериям не просто двигаться, а эффективно «вычислять» направление в динамично меняющейся среде.