Новые данные о роли полиэстера в симбиозе насекомых и бактерий

Исследователи из AIST показали, что кишечная симбиотическая бактерия, оказывающая благотворное влияние на рост и размножение клопа-щитника (Riptortus pedestris), известного как вредитель сои, накапливает полигидроксиалканоат (PHA) — тип полиэстера — в виде внутриклеточных гранул в условиях симбиоза. Это накопление внутриклеточного полиэстера необходимо для поддержания нормальных симбиотических отношений.

Многие бактерии синтезируют большое количество PHA (иногда более 90% сухого веса бактерии) из сахаров и липидов, накапливая гранулы PHA внутри клетки в качестве запаса углерода для выживания в периоды голодания и стрессов. С другой стороны, PHA привлекает внимание исследователей как биопластичный материал. Обнаружение AIST того, что PHA участвует в поддержании симбиотических отношений насекомого и бактерии, интересно не только с биологической точки зрения, но и проливает свет на неожиданные связи между биотехнологией и симбиозом.

Эти результаты были опубликованы онлайн в американском академическом журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 11 июня 2013 года.

• Модельная система: Клоп-щитник приобретает симбионта рода Burkholderia из почвы на стадии нимфы. Эта легко культивируемая и генетически модифицируемая бактерия положительно влияет на приспособленность хозяина.
• Ключевое открытие: Анализ белков выявил сверхэкспрессию белка PhaP, связывающегося с гранулами PHA, у симбиотических бактерий. Электронная и флуоресцентная микроскопия подтвердила наличие развитых гранул PHA в бактериях в условиях симбиоза (рис. 1B), в отличие от культурных клеток (рис. 1C).
• Функциональная проверка: Были созданы штаммы Burkholderia с нарушением генов phaB или phaC, кодирующих ферменты синтеза PHA (рис. 2A). Насекомые, зараженные этими мутантными штаммами:
  • Практически не накапливали гранулы PHA.
  • Имели очень низкую плотность заражения в кишечнике (рис. 3C-E).
  • Обладали менее развитым симбиотическим органом и меньшим размером тела по сравнению с насекомыми, зараженными диким типом или штаммом с нарушением phaP (рис. 4A-D, 5).
• Восстановление функции: Генетическое восстановление (phaB- и phaC-реинтродуцированные штаммы) вернуло накопление PHA, плотность заражения, развитие симбиотического органа и размер тела хозяина к нормальному уровню (рис. 3E, 4F, 4G, 5).
• Гипотеза: Предложена гипотеза «симбионт-опосредованной устойчивости к стрессу». Поскольку бактерии в симбиотическом органе существуют при очень высокой плотности и медленном росте, накопление гранул PHA может обеспечивать устойчивость к стрессам, связанным с симбиозом. Эксперименты подтвердили, что штаммы с нарушенным синтезом PHA были уязвимы к стрессам (дефицит питания, высокая температура, осмотическое давление), в то время как восстановленные штаммы были устойчивы (рис. 6).

Перспективы: Исследование открывает возможность того, что введение или усиление пути синтеза PHA может повысить стабильность и выживаемость бактерий (например, пробиотиков) в организме хозяина. Планируются дальнейшие исследования механизмов связи PHA с симбиозом.