Чем это пахнет? Роль микроорганизмов в мире запахов
Люди подсознательно взаимодействуют с множеством микроорганизмов через запахи, которые они издают: дрожжевой запах свежего теста, геосмин после дождя, кислые ферменты, опосредованные лактобактериями, и даже вонючие ноги.
(Геосмин - органическое вещество, обусловливающее запах земли. Продуцируется различными классами микроорганизмов, в том числе цианобактериями и актиномицетами - прим.ред.). Молекулы, которые мы воспринимаем как запахи, играют важную, но малоизученную роль в физиологии микроорганизмов, а также во взаимодействии с другими микроорганизмами и более крупными эукариотами. Некоторые из этих запахов уникальны и могут служить "отпечатками пальцев" микробов, позволяя нам идентифицировать колонизирующие организмы, что может дать возможность неинвазивного взгляда на инфекционные заболевания. Микробы также умеют создавать неестественные вкусы и ароматы, которые используются в промышленном производстве ароматических и вкусовых соединений для улучшения качества продуктов питания и косметики.
То, что мы понимаем под запахами и вкусами, обычно представляет собой небольшие ароматические молекулы, известные как летучие органические соединения (ЛОС). Эти молекулы имеют высокое давление пара, по сути, кипят и превращаются в газ при комнатной температуре, поэтому они считаются летучими. Благодаря своей газообразной природе ЛОС могут перемещаться на большие расстояния, что делает их ценными инструментами для коммуникации между различными организмами.
Многие ароматы и вкусы, используемые в продуктах питания, косметике и лекарствах, вдохновлены натуральными продуктами, часто растениями. К сожалению, некоторые из этих растений встречаются редко, поскольку их распространение ограничено очень специфическими экологическими нишами, поэтому спрос на них регулярно превышает предложение. Чтобы решить эту проблему, многие такие соединения производятся искусственно, часто из исходных материалов на основе нефти. Хотя это позволяет сохранить некоторые природные ресурсы и снизить затраты, это оказывает негативное влияние на окружающую среду, и многие люди с опаской относятся к искусственным добавкам.
Решением этой проблемы являются микробные фабрики, использующие микроорганизмы для производства интересующих нас соединений. Такие микробные версии ароматических соединений считаются "натуральными" и не рассматриваются большинством законодательных органов как искусственные. Вкусовые соединения могут быть получены как ферментативным путем, так и с помощью целых клеток. Соединения могут производиться клетками в естественных условиях, или же клетки могут быть метаболически модифицированы для увеличения выхода. Многие композиции имеют схожую структуру, поэтому сконструированные метаболизмы могут стать модульными, требующими лишь обмена конечными реакциями. Например, ароматы мяты, цитрусовых, пачули и сандалового дерева - все это терпеноиды, которые могут быть получены с помощью одного пути биосинтеза, экспрессированного в дрожжах, но расходящегося ферментативно на последних этапах. Тип исходного материала, или сырья, используемого для производства ароматов, важен с экологической и экономической точек зрения. Выгодно использовать сырье, которое в противном случае превратилось бы в отходы, например, побочные продукты сельского хозяйства, чтобы повысить ценность отработанного продукта.
Одним из особенно интересных видов отходов является полиэтилен (ПЭТ). В рамках этой стратегии ферментативное расщепление ПЭТ сочетается с использованием инженерной E. coli, которая может метаболизировать мономеры в ванилин. Ванилин - это основная молекула, которая ассоциируется у нас с ароматом ванили, которая является одной из самых дорогих специй, когда ее получают из растения. Перерабатывая ПЭТ в ванилин, производители могут получить ценное ароматическое соединение из по сути из мусора.
На протяжении всей истории человечества диагностика инфекционных заболеваний включала в себя определение характерных запахов, которые, как известно, ассоциируются с определенными заболеваниями. Хотя на долгие годы этот метод вышел из практики, сейчас он начинает возрождаться. Например, колонизация Pseudomonas aeruginosa, связанная с прогрессированием заболевания у пациентов с муковисцидозом, известна своим запахом, напоминающим виноградный, который можно отнести к ЛОС 2-аминоацетофенону (2-АА). Поскольку это соединение известно, в настоящее время проводится исследование неинвазивного диагностического подхода, при котором выдыхаемый воздух пациента собирается и анализируется на содержание 2-АА с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии .
Некоторые трансмиссивные заболевания способны изменять запах инфицированных видов хозяев. Так, комары используют запах, чтобы найти свою кровяную пищу, и улучшение запаха хозяина повышает вероятность посещения комарами и распространения заболеваний. Малярия и флавивирусы, в том числе Зика и Денге, изменяют профиль запаха инфицированных хозяев, увеличивая производство хозяином (или микробиомом хозяина) летучих органических соединений, включая монотерпены и ацетофенон, производимые малярийными плазмодиями и флавивирусами, соответственно. Флавивирусы увеличивают выработку ацетофенона, супрессируя антимикробный белок (RELMα), который обычно подавляет некоторые бактерии-комменсалы кожи, вырабатывающие ацетофенон. Подавление RELMα с помощью витаминных добавок снижает выработку ЛОС и, следовательно, сокращает поиск комарами хозяев. Это позволяет говорить о потенциальной стратегии снижения уровня передачи флавивирусов, переносимых комарами.
Люди - не единственные организмы, которые чувствуют и воспроизводят микробные запахи. ЛОС, вырабатываемые микроорганизмами, являются важными способами междоменного взаимодействия - от кооперативного до антагонистического. В животном мире микробы являются ключевым компонентом «духов», используемых для привлечения партнера. Например, самцы большекрылых летучих мышей переносят выделения (и микробы) с гениталий и глотки на крыловые мешки в рамках ежедневного ритуала, который поддерживает их индивидуальный запах. Самки летучих мышей, которые этого не делают, имеют другой состав микробиома крыльев, поэтому считается, что самцы используют свой запах, обусловленный микробами, в качестве формы ухаживания. Однако никаких конкретных микробов, связанных с запахами или успехом спаривания самцов летучих мышей, обнаружено не было.
Многие другие виды животных демонстрируют сходное поведение, в котором брачные ритуалы опосредованы запахами, вырабатываемыми микробами. Например, комменсальные микробы мышей участвуют в биосинтезе триметиламина, который помогает в идентификации вида при выборе партнера.
Хотя известно, что не все летучие органические соединения обладают ощутимым запахом, исследования показывают, что газообмен в результате микробного производства летучих органических соединений может оказывать значительное влияние на состав почвенного сообщества, что может повлиять на колонизацию растений, их патогенез и рассеивание. В лабораторных условиях при выращивании растений под воздействием летучих органических соединений, продуцируемых Chromobacterium violaceum и Burkholderia pyrrocinia, наблюдаются резкие отклонения в размере листьев и выживаемости. Наблюдаемое снижение роста позволяет предположить патогенный эффект некоторых ЛОС. Кроме того, есть данные о том, что конкурентное ингибирование, вызванное выделением ЛОС, может использоваться для контроля распространения других патогенов растений. Например, Aspergillus flavus и Ralstonia solanacearum - два патогена, способные самостоятельно наносить вред растениям, - могут использовать ЛОС для антагонистического действия друг против друга и эффективно ограничивать колонизацию растений арахиса одним из микробов.
Производство ЛОС микроорганизмами также способствует распространению некоторых растений, привлекая опылителей. Микробный состав нектара оказывает сильное влияние на его привлекательность для опылителей. Было замечено, что осы-паразитоиды предпочитают посещать нектар с местными видами дрожжей, населяющих нектар (например, Metschnikowia gruessi, Metschnikowia reukaufii), по сравнению с нектарными дрожжами (например, Aureobasidium pullulans, Hanseniaspora uvarum, Sporobolomyces roseus, Saccharomyces cerevisiae). Осы, которых привлекали изолированные летучие органические соединения, выделенные из местных дрожжей, обитающих в нектаре, жили дольше, чем те, которые питались нектаром, ферментированным нектарными дрожжами. Вероятно, такая привлекательность помогает пыльце растений и дрожжам рассеиваться в новых местах, улучшая приспособленность обоих организмов.
Грибы Protubera nipponica. Источник: Flickr/Hideyuki Matsui.
Аналогичный принцип «опыления» используют и грибы. Грибы, распространяемые шершнями и плодовыми мухами, имеют иной аромат, чем те, что распространяются мухами и осами, которых привлекает карион (мертвая, разлагающаяся плоть). Гриб Protubera nipponica издает фруктовый запах и часто посещается гигантским шершнем, который передает жизнеспособные споры после поедания частей гриба.
ЛОС, выделяемые микроорганизмами, дают нам представление об их образе жизни. Используют ли они запахи для общения или для предотвращения роста организмов, ЛОС - это важная, но еще недостаточно изученная грань физиологии микроорганизмов, которая будет и впредь способствовать нашему пониманию окружающих нас микробов.
