Кишечные бактерии способны чувствовать окружающую среду
Кишечный микробиом – или кишечная флора – имеет решающее значение для здоровья человека. Это динамичное сообщество микроорганизмов живет за счет множества химических взаимодействий: как между самими микробами, так и между ними и организмом хозяина. Чтобы эти процессы работали, бактерии должны уметь "считывать" химические сигналы и распознавать питательные вещества вокруг себя. Однако, несмотря на важность этого механизма, ученые все еще плохо представляют, какие именно сигналы способны улавливать бактериальные рецепторы. До сих пор основная часть знаний о бактериальном восприятии среды получена на примере модельных, часто патогенных микроорганизмов. Комменсальные – полезные и непатогенные – бактерии кишечника изучались значительно меньше. Поэтому остается открытым вопрос: какую химическую информацию именно они воспринимают в своей среде обитания?
Ответ попыталась найти международная команда, в которую вошли исследователи из Института наземной микробиологии Макса Планка, Университета Огайо и Университета Филиппса в Марбурге. В центре их внимания оказались клостридии – подвижные бактерии, широко представленные в кишечнике человека и играющие важную роль в поддержании его здоровья.
Ученые выяснили, что рецепторы кишечных бактерий способны распознавать неожиданно широкий спектр метаболических веществ: продукты распада углеводов, жиров, белков, ДНК и аминов. При этом разные типы сенсоров "предпочитают" разные классы соединений. Это говорит о том, что бактерии реагируют на окружающую среду не хаотично, а избирательно, настраиваясь на определенные сигналы.
Объединив лабораторные эксперименты с биоинформатикой, исследователи определили множество молекул, которые связываются с рецепторами, управляющими движением бактерий. Эти рецепторы помогают им находить питательные вещества, необходимые для роста. Фактически, перемещение бактерий во многом определяется поиском еды. Среди всех протестированных соединений особенно часто в роли сигналов выступали молочная кислота (лактат) и муравьиная кислота (формиат). Это указывает на их особую значимость как источников питания для микробов кишечника. Некоторые бактерии сами вырабатывают лактат и формиат, которые затем служат пищей для других видов. Такой механизм "перекрестного питания" способствует устойчивости и балансу кишечной экосистемы.
В ходе систематического анализа исследователи обнаружили и несколько ранее неизвестных типов сенсорных доменов. Эти сенсоры оказались специализированными для распознавания лактата, дикарбоновых кислот, урацила – компонента РНК – и короткоцепочечных жирных кислот.
Кроме того, команде удалось определить кристаллическую структуру нового двойного сенсора, который реагирует сразу на две молекулы – урацил и ацетат. Это помогло понять, как именно происходит связывание на молекулярном уровне. Сенсор относится к большому семейству рецепторных доменов с разнообразными функциями.
Анализ эволюции этих сенсоров показал, что их "предпочтения" к тем или иным молекулам могут довольно легко меняться со временем. Такая гибкость объясняет, как бактерии приспосабливают свои сенсорные возможности к изменениям окружающей среды.