Микробиом антарктических червей помогает им справляться с экстремальными холодными условиями, что позволяет понять роль микробиома в здоровье и адаптации хозяина.
В самом холодном и изолированном месте на Земле группа ученых отваживается преодолевать ледяные ветры в поисках ответов. Облаченные в толстую красную экипировку, контрастирующую с бело-голубым пейзажем, исследователи извлекают червей из холодных вод Южного океана, огибающего Антарктиду. Они привезут этих извивающихся существ в свои лаборатории, чтобы изучить, как им удается выживать при отрицательных температурах без всякой защиты.
«В Антарктиде одна из самых экстремальных сред на планете», - говорит Чинция Коринальдези, морской эколог из Политехнического университета Марке. «В морских экосистемах температура может быть очень близка к минус двум градусам по Цельсию». Хотя исследователи установили, что некоторые морские животные Антарктики вырабатывают белки, препятствующие замерзанию, чтобы адаптироваться к экстремальному холоду, аналогичные механизмы у беспозвоночных оставались малоизученными.
В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, Коринальдези и коллеги показали, что микробиом антарктических червей вырабатывает криопротекторные белки, которые помогают этим существам справляться с низкими температурами. Полученные результаты дают представление о том, как микробиом может помочь хозяину адаптироваться к экстремальным условиям окружающей среды.
Роль микробиома в обеспечении питания или иммунитета хорошо известна, говорит Харальд Грубер-Водичка, исследователь морских симбиозов из Института морской микробиологии Макса Планка, который не принимал участия в исследовании. «Но защита от холода как услуга или функция симбионта была неожиданной и новой». Коринальдези и ее коллеги предположили, что микробиом может играть определенную роль в том, чтобы помогать своему хозяину переносить холод, поскольку микробы часто встречаются в таких условиях. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые секвенировали бактериальную ДНК, выделенную из кишечника, ротовой полости и внешнего защитного покрова червей, которых они собрали в антарктических водах.
Исследователи собрали червей из Южного океана, чтобы изучить их стратегии адаптации к холоду. Фото: Marco Lo Martire.
Анализ последовательностей показал, что большую часть микробиома червей составляли бактерии, принадлежащие к родам Meiothermus и Anoxybacillus. Хотя ученые уже находили эти виды в холодных средах, чаще всего они встречаются в условиях высоких температур, например в горячих источниках. Исследователи обнаружили, что эти бактерии не присутствуют ни у одного другого вида червей, метагеном которых доступен в банках генов. Они также не обнаружили эти бактерии в осадке, где были собраны черви, что указывает на то, что черви не приобрели эти бактерии из окружающей среды.
Это заставило исследователей задуматься о том, не возникла ли связь между червями и микробами в прошлом и не передавалась ли она из поколения в поколение. Они изучили взаимосвязь между эволюционной историей организмов, определяемой путем анализа их митохондриальных генов, и историей микробиома, ассоциированного с ними. Это выявило высокую степень филосимбиоза, что говорит о возможной совместной эволюции микроорганизмов и червей. «Симбиоз начался в древние времена, вероятно, когда среда обитания была другой, и теперь эти бактерии больше не присутствуют в окружающих животных отложениях», - объясняет Коринальдези.
Чтобы выяснить, какую пользу червям приносят их микробные обитатели в этом холодном климате, Коринальдези и ее коллеги проанализировали геномы бактерий Meiothermus и Anoxybacillus. Они обнаружили гены, кодирующие или связанные с белками холодового шока, белками, связывающими лед, и криопротекторными соединениями, такими как спермидин. Когда они проанализировали экстракты червей с помощью протеомики, то обнаружили множество этих белков и несколько ферментов, которые потенциально полезны для борьбы с экстремально низкими температурами. Сопоставление этих белков с существующими базами данных, описывающими последовательности белков и их функции, помогло специалистам определить, что бактерии, а не черви, производят некоторые из криопротекторных белков.
Тот факт, что микробиом производит специфические белки, которые помогают хозяину справиться с холодом, был удивительным, отметила Коринальдези. Грубер-Водичка подчеркнул, что геномный и протеомный подход, использованный группой, подкрепляет исследование. «Этот первый вывод о том, что симбионты могут играть важную роль, очень интригует», - отметил он, но для доказательства того, что адаптация червей к холоду зависит от микробиома, необходимы дополнительные эксперименты. «Это лишь маленький кусочек [головоломки]», - говорит Коринальдези. «Нам нужно продолжать работу, чтобы пополнить информацию».
