Обнаружена новая кишечная бактерия, участвующая в переваривании древесины термитами

Когда термиты поедают древесину, мелкие частицы поступают в кишечник, где живёт уникальное сообщество микробов. В ходе сложного многоступенчатого процесса эти микробы превращают твёрдый волокнистый материал в питательную пищу для термита. Один из ключевых этапов — использование водорода для превращения углекислого газа в органический углерод (процесс, называемый ацетогенезом). Однако до сих пор было мало известно о том, какие именно кишечные бактерии выполняют конкретные роли в этом процессе.

Используя различные экспериментальные методы, исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) обнаружили ранее не идентифицированную бактерию, которая, вероятно, отвечает за большую часть кишечного ацетогенеза. Эта бактерия живёт на поверхности более крупного микроорганизма в кишечнике термита.

«В кишечнике термита несколько сотен различных видов микробов живут в пределах одного миллиметра друг от друга. Мы знаем, что определённые микробы присутствуют в кишечнике, и мы знаем, что микробы ответственны за определённые функции, но до сих пор у нас не было хорошего способа определить, какой микроб что делает», — говорит Джаред Лидбеттер, профессор экологической микробиологии Caltech.

Методы исследования

Учёные начали с анализа РНК микробов, чтобы найти активные в определённый момент времени гены. Они искали активно транскрибируемые гены формиатдегидрогеназы (FDH), кодирующие белок, необходимый для ацетогенеза.

Затем, используя метод мультиплексной микрофлюидной цифровой полимеразной цепной реакции (digital PCR), исследователи изолировали отдельные, ранее не изученные микробы в крошечные отсеки, чтобы идентифицировать конкретные виды, несущие каждый из генов FDH.

Ключевое открытие

Некоторые гены FDH были обнаружены у бактерий типа спирохет — ранее предсказанного источника ацетогенеза. Однако оказалось, что одни только спирохеты не могут объяснить всё количество ацетата, производимого в кишечнике.

Самый активный ген FDH в кишечнике принадлежал ранее не изученному виду из группы дельтапротеобактерий. Это стало первым свидетельством того, что значительное количество ацетата в кишечнике может производиться не спирохетами.

Местоположение и симбиоз

Поскольку гены этой новой дельтапротеобактерии были найдены в крупных частицах кишечника, исследователи предположили, что микроб прикрепляется к поверхности одного из фрагментов. Для проверки гипотезы они использовали метод визуализации с цветовым кодированием — гибридизационную цепную реакцию в сочетании с флуоресцентной гибридизацией in situ (HCR-FISH).

Метод позволил одновременно «окрасить» клетки, экспрессирующие как активный ген FDH, так и ген, идентифицирующий дельтапротеобактерию, разными флуоресцентными цветами. Оказалось, что клетки новой бактерии живут на поверхности конкретного водород-продуцирующего простейшего.

«Здесь у вас есть большая эукариотическая клетка — простейшее, — которое производит водород при разложении древесины, и у вас есть эти гораздо более мелкие потребляющие водород дельтапротеобактерии, прикреплённые к его поверхности. Таким образом, эта новая ацетогенная бактерия прижимается к своему источнику водорода так близко, как только может», — объясняет Лидбеттер.

Значение исследования

Эта интимная взаимосвязь, вероятно, никогда не была бы обнаружена с помощью стандартного метода филогенетического вывода, который делает предположения об организме на основе его родственников.

Результаты не только идентифицируют новый источник ацетогенеза в кишечнике термита, но и демонстрируют ограничения прогнозов, основанных исключительно на филогенетическом родстве.

Исследование опубликовано в онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) за неделю 16 сентября.