Как бактерия кормит целого плоского червя

В песчаном дне тёплых прибрежных вод обитает Paracatenula — маленький червь, у которого нет ни рта, ни кишечника. Тем не менее, он ни в чём не нуждается благодаря Riegeria — бактерии, которая заполняет большую часть тела крошечного червя. Riegeria заботится о своём хозяине, выполняя роль фермера, квартирмейстера и повара в одном лице. Исследовательская группа под руководством Института морской микробиологии Макса Планка расшифровала, как бактерии снабжают червя питанием.

Исследователи из Бремена обнаружили удивительного бактериального поставщика «пайков» в песчаном морском дне у острова Эльба в Средиземном море. Единственная симбиотическая бактерия обеспечивает своего хозяина всем необходимым с таким совершенством, что у её хозяина, крошечных червей Paracatenula, больше нет рта или кишечника. Более того, бактерия подаёт пищу в удобных порциях.

Идеальное соответствие: вместе 500 миллионов лет

Бактерии и червь являются парой как минимум 500 миллионов лет. За эти годы симбионт сократил свой геном, оставив только основные функции. Несмотря на это сокращение, он снабжает червя всем необходимым для процветания.

«Пищевые пакеты симбионта наверняка содержат липиды и белки, но, вероятно, также сахара и жирные кислоты, витамины и ряд других веществ для снабжения энергией и биомассой», — говорит Харальд Грубер-Водичка, инициатор и руководитель исследования. «Мы не видели ничего подобного ни в одном другом симбиозе — чтобы, несмотря на такой сокращённый геном, одна бактерия могла производить так много разных веществ и предоставлять их своему хозяину».

Где растения используют свет в качестве источника энергии для производства биомассы, симбионты используют химическую энергию в процессе, называемом хемосинтезом. Они преобразуют диоксид углерода (CO₂) в органические соединения с энергией из сероводорода (H₂S), обычного соединения в осадках с запахом тухлых яиц. Эти органические вещества затем служат пищей для хозяина.

Устойчивый сбор урожая в симбиозе Paracatenula

Большим сюрпризом для учёных стал способ, которым, как считается, симбионт снабжает своего хозяина. «Во всех известных на сегодняшний день хемосинтетических симбиозах хозяин переваривает бактерии, чтобы получить доступ к их питательным веществам», — объясняет Оливер Якле, проводивший исследование в рамках своей докторской диссертации. «Другие хемосинтетические симбионты дополнительно используют так называемые транспортные белки, которые доставляют питание своим хозяевам. В симбиозе Paracatenula мы не нашли ни того, ни другого в больших количествах. Всё указывало на другой механизм».

Только незадолго до завершения диссертации Якле и Грубер-Водичка с помощью своего коллеги Нико Лайша и его работ по электронной микроскопии смогли разгадать эту загадку: бактерии снабжают червя множеством маленьких, похожих на капли везикул.

«Это немного похоже на фруктовый сад», — описывает это наблюдение Грубер-Водичка. «Бактерии постоянно приносят плоды, которые собирает червь. В других симбиозах это больше похоже на сбор урожая с кукурузного поля — их бактерии полностью скашиваются, червь переваривает большинство бактериальных клеток. Это подчёркивает, насколько ключевыми для глубокого понимания физиологии взаимодействий бактерий и животных могут быть методы визуализации».

Новые идеи благодаря междисциплинарному подходу

Представленное исследование даёт беспрецедентное представление о том, как работает симбиоз между бактериями и их лишённым кишечника хозяином. Помимо визуализации, широкое сравнение с подобными симбиозами, например, у мидий или трубчатых червей, способствовало детальному пониманию этого симбиоза.

«Наша междисциплинарная работа, которая сочетала геномику с биохимическими и электронно-микроскопическими исследованиями, а также физиологические эксперименты, позволила нам взглянуть на симбиоз с разных точек зрения», — отмечает Якле. Смешав эти идеи с большой долей терпения, Якле удалось содержать и выращивать Paracatenula в лаборатории уже более трёх лет.

Опираясь на эти захватывающие результаты, Якле, Грубер-Водичка и их коллеги теперь планируют использовать геном червя, чтобы более внимательно изучить его роль.

«У червя нет средств для выделения, но, по-видимому, у него также нет какого-либо клеточного мусорного ведра. Всё, что предоставляют бактерии, по-видимому, используется червём так или иначе», — говорит Грубер-Водичка.

Ещё одно направление для исследований исходит из того, что Paracatenula встречается не только в Средиземном море. Исследователи собрали их в нескольких местах по всему миру. В настоящее время они сравнивают, как симбионты от разных видов хозяев решают проблему снабжения пищей, а также как эти процессы развивались в линиях Paracatenula, разделившихся на разные виды десятки или сотни миллионов лет назад.