Как многоклеточные цианобактерии транспортируют молекулы

Исследователи из ETH Zurich и Университета Тюбингена детально изучили структуру и функцию межклеточных соединений у нитчатых, многоклеточных цианобактерий. Это позволило объяснить, как эти микроорганизмы регулируют транспорт различных веществ между отдельными клетками.

Цианобактерии, или сине-зелёные водоросли, способны к фотосинтезу. Некоторые их виды являются нитчатыми многоклеточными организмами с дифференцированными функциями клеток: одни осуществляют фотосинтез, другие поглощают атмосферный азот. Это создаёт проблему обмена веществами: фотосинтезирующие клетки должны снабжать азотфиксирующие глюкозой, а аминокислоты — транспортироваться в обратном направлении. Для этого у цианобактерий есть специальные клеточные соединения (септальные контакты), позволяющие обмениваться питательными веществами и сигналами.

Структура в клеточном контексте

Исследователи выяснили, что соединительные каналы состоят из белковой трубки, запечатанной с двух сторон пробкой. Эта трубка покрыта пятилучевыми белковыми элементами, расположенными подобно диафрагме фотоаппарата. Каналы проходят через мембраны и клеточные стенки, соединяя цитоплазму соседних клеток, разделённых наноразмерным зазором.

«Используя крио-электронную микроскопию, мы достигли беспрецедентной точности», — говорит профессор Мартин Пилхофер из ETH Zurich. Его аспирант Грегор Вайсс разработал метод подготовки образцов, позволивший визуализировать каналы.

Механизм предотвращения утечек

«Сложная структура каналов намекала на механизм их открытия и закрытия», — отмечает профессор Карл Форххаммер из Университета Тюбингена. Его команда показала, как клетки общаются в разных стрессовых условиях. Используя метод флуоресцентного мечения и лазерного отбеливания отдельных клеток, они обнаружили, что каналы закрываются при химической обработке или в темноте. Изящная структура «крышки» канала закрывается, как ирисовая диафрагма, прерывая обмен.

«Этот механизм защищает весь многоклеточный организм», — говорит Форххаммер. Он предотвращает передачу вредных веществ соседним клеткам и утечку содержимого всей сети при механическом повреждении отдельных клеток.

Консервативные структуры

Исследование показывает, что в ходе эволюции многоклеточные организмы разных линий независимо «изобретали» межклеточные соединения. «Это подчёркивает, насколько важен для многоклеточного организма контроль над транспортом веществ между его клетками», — заключает Пилхофер. Работа представляет собой фундаментальное биологическое исследование, расширяющее понимание эволюции сложных форм жизни.