Как бактерии Streptomyces производят сигнальные молекулы — механизм микробной коммуникации в почве

Бактерии рода Streptomyces производят химические вещества — аргинокетиды, на которые реагируют многие другие микроорганизмы. В ответ бактерии формируют биоплёнки, водоросли объединяются в агрегаты, а грибы производят сигнальные вещества, которые в обычных условиях не синтезируют, что запускает новые реакции у других организмов.

Исследователи из Института естественных продуктов и исследований инфекций имени Лейбница (Leibniz-HKI) показали это в исследовании, опубликованном в Nature Microbiology. Они изучили различные виды Streptomyces, производимые ими аргинокетиды и их влияние на другие почвенные микроорганизмы.

Микроорганизмы общаются друг с другом с помощью химических веществ — относительно небольших органических соединений, известных как природные продукты. «Микроорганизмы производят множество таких соединений, и мы только начинаем понимать этот язык», — объясняет руководитель исследования Аксель Брахаге.

Бактерии рода Streptomyces, по-видимому, особенно важны для коммуникации в почве. Они встречаются по всему миру и производят множество различных аргинокетидов — подгруппы поликетидов, группы природных продуктов, синтезируемых различными организмами. Многие поликетиды представляют медицинский интерес, поскольку обладают, например, антибиотической или противоопухолевой активностью.

Группа аргинокетидов, идентифицированная командой Leibniz-HKI, запускает различные процессы в почве. «В предыдущих исследованиях мы уже видели, что гриб Aspergillus nidulans производит некоторые вещества только в присутствии стрептомицетов», — говорит одна из ведущих авторов работы Мария Строе. Ответственным за это был идентифицирован аргинокетид азаломицин F.

В текущем исследовании учёные проверили, производят ли стрептомицеты другие соединения, активные как сигнальные вещества. «Поиск в литературе показал множество примеров, когда виды Streptomyces по всему миру производят структурно схожие соединения или, по крайней мере, имеют биосинтетические генные кластеры для соответствующих аргинокетидов», — объясняет ведущий автор исследования Марио Креспах.

Исследователи выделили некоторые из этих соединений из штаммов Streptomyces, взятых из почвенных образцов, и успешно протестировали их на плесневом грибе Aspergillus nidulans — они также запускали производство химических веществ, которые гриб в обычных условиях не производит. «Поэтому мы предположили, что, возможно, нашли общий механизм микробной коммуникации», — говорит другой автор работы Лукас Ценер.

Действительно, команда обнаружила большое количество грибов в почвенных образцах, которые в присутствии Streptomyces iranensis формировали вещества, не производимые ими в иных условиях. Если исследователи «выключали» соответствующие гены биосинтеза аргинокетидов, эффект не возникал.

Предыдущие исследования показали многочисленные эффекты аргинокетидов: например, они заставляют гриб и зелёную водоросль вступать в симбиоз, другой гриб меняет форму, а бактерия в ответ на эти вещества формирует биоплёнку.

«Сейчас мы пытаемся понять влияние как самого производства аргинокетидов, так и веществ, производимых грибами в ответ, на состав микробных сообществ — микробиомов», — говорит руководитель исследования Брахаге. Например, одно из веществ, производимых Aspergillus nidulans, ингибирует фитопатогенный гриб. Влияние аргинокетидов на водоросли и грибы также могло способствовать эволюции лишайников и многоклеточности.

«Выяснение этого взаимодействия помогает нам понять, среди прочего, как структурированы микробные сообщества и как они помогают предотвращать болезни растений. Кроме того, мы обнаруживаем совершенно новые вещества, когда изучаем сосуществование микроорганизмов, а не просто смотрим на изолированные организмы», — поясняет Брахаге.