Сернистое соединение — «запах моря» — служит сигналом для патогенов кораллов

Коралл — это экосистема внутри рифовой экосистемы: колония беспозвоночных полипов, выделяющих скелет из карбоната кальция. Внутри полипов живут фотосинтезирующие водоросли, производящие питательные вещества. При стрессе от повышения температуры воды коралл изгоняет водоросли, что вызывает обесцвечивание. Это, в свою очередь, усиливает стресс коралла, делая его более уязвимым для атаки патогенных бактерий.

Исследователи из MIT обнаружили механизм, с помощью которого патогенные бактерии находят свою жертву: они выяснили, что подвергнутый стрессу коралл Pocillopora damicornis производит в пять раз больше сернистого соединения диметилсульфониопропионата (DMSP). Обилие DMSP служит сигналом, побуждающим клетки патогена, которые чувствуют усиленный химический сигнал и атакуют, меняя направление и скорость плавания по мере приближения к ослабленному кораллу.

«Это первый раз, когда мы смогли подсмотреть за поведением кораллового патогена в реальном времени, в ответ на химические сигналы, просачивающиеся в воду от его хозяина», — говорит постдок Мелисса Гаррен, первый автор статьи, опубликованной 12 декабря в International Society for Microbial Ecology Journal.

DMSP, чей сернистый запах знаком каждому, кто был на пляже во время отлива, — лишь одна из многих молекул в слизи, покрывающей поверхность коралла. Коралл производит слизь непрерывно для очистки и защиты, а DMSP производят как сам полип, так и его симбиотические водоросли. Однако неизвестно, почему именно уровень DMSP в слизи повышается в периоды стресса и почему патогены нацеливаются на эту конкретную молекулу.

В полевых условиях исследователи собрали образцы кораллов с Большого Барьерного рифа и провели эксперименты на исследовательской станции Херон-Айленд, подвергая образцы повышению температуры воды на 1,5 градуса ежедневно в течение недели. Фрагменты кораллов от всех колоний показали одинаковую реакцию на тепло, выделяя в пять раз больше DMSP в своей слизи по сравнению с контрольными образцами, оставшимися при температуре окружающей среды.

В лаборатории с помощью микрофлюидики и видеомикроскопии ученые протестировали поведение кораллового патогена Vibrio corallilyticus. В присутствии слизи бактерия увеличивала скорость плавания до 50%. Как только клетки достигали самого богатого слоя слизи, их движение возвращалось к нормальной скорости — около 50 длин тела в секунду.

В отличие от многих других морских бактерий, которые используют DMSP как важный источник пищи, этот Vibrio вообще не метаболизировал DMSP, что указывает на то, что это соединение может служить чисто сигналом для атаки.

«Меня интригует, как определенные ключевые процессы снова и снова возникают в океанографии — как будто в них есть некая универсальность», — говорит профессор Роман Штокер. — «Поскольку DMSP участвует в химической сигнализации у многих других морских животных — от птиц до черепах, рыб и чаек, а теперь и у коралловых патогенов — кажется, что это химическое вещество является валютой сигнализации и восприятия в море».

Чтобы подтвердить, что они наблюдают именно хемокинез (изменение скорости), аспирант Квангмин Сон создал математическую модель, симулирующую наблюдения: плавание бактерий к слою слизи. В модели накопление бактерий в слое слизи было на 50% выше и на 50% быстрее, чем если бы микробы не меняли скорость плавания.

Исследование финансировалось Программой Human Frontiers in Science Program Национального научного фонда (NSF).

«Эти эксперименты помогли нам на шаг приблизиться к пониманию механизмов болезней кораллов, потому что мы смогли напрямую визуализировать микроскопических патогенов кораллов, как они с большой энергией плывут к поверхности коралла», — говорит Штокер. — «Доступ к микроуровню дает совершенно новое понимание механизмов болезни».