У микроорганизмов развились сложные коммуникационные системы, позволяющие отдельным клеткам популяции посылать и принимать сигналы в ответ на изменения в окружающей среде.
Чтобы обеспечить максимальный рост и выживание, одноклеточные организмы должны уметь чувствовать и реагировать на изменения в окружающей среде. Помимо нехватки питательных веществ, они также должны приспосабливаться к изменениям в изобилии питательных веществ, которые им необходимы. Различные виды предпочитают определенные источники углерода и азота, которые они быстро метаболизируют для получения энергии для роста и колонизации ниш. Поэтому хорошее понимание углеродного и азотного метаболизма у микробов имеет большое биомедицинское значение. Оно также актуально для промышленных применений, в которых микроорганизмы используются для получения ценных биопродуктов.
Избирательное использование одного источника энергии по сравнению с другим обычно считается преходящим, острым и автономным для клеток. Однако недавние исследования показали, что между клетками существует химическая связь, которая трансформирует метаболические реакции. Исследователи Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера (Швейцария) обнаружили, что дрожжевые клетки общаются друг с другом, чтобы использовать менее ценные питательные вещества, если они предвидят нехватку своей любимой пищи. Этому способствуют секретируемые молекулы, которые взаимодействуют с белком в митохондриях. Полученные данные раскрывают важнейший механизм, позволяющий микроорганизмам обеспечить достаточное питание. Исследование опубликовано в журнале The EMBO Journal.
Как и у людей, у дрожжей есть свои любимые питательные вещества. Чтобы выяснить, что происходит, когда дрожжевые клетки ожидают нехватки их любимой пищи, соавтор статьи Шин Осава и его коллеги изучали делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe. Предыдущие исследования специалистов выявили специфические молекулы, называемые азотными сигнальными факторами (NSF), как важные компоненты механизма, который дрожжевые клетки используют для коммуникации. Однако исследователи не знали, как эти молекулы заставляют дрожжевые клетки обращаться к менее благоприятным источникам пищи. Осава и его коллеги обнаружили, что повышение уровня NSF приводит к изменениям в программе экспрессии генов дрожжевых клеток, побуждая их переключиться на альтернативные источники питательных веществ.
Используя химически модифицированные молекулы для фиксации взаимодействия между NSF и белками дрожжей, исследователи обнаружили, что NSF напрямую взаимодействует с митохондриальным белком, участвующим в метаболизме, максимизируя рост в ответ на неизбежное изменение доступности питательных веществ. Таким образом, NSF является передаваемым сигналом, который включает митохондриальное дыхание для максимального роста в ответ на изменение доступности питательных веществ. Полученные результаты раскрывают ключевой механизм коммуникации, который позволяет дрожжевым клеткам быть экономными в отношении питательных веществ.
Стратегии роста и выживания схожи у разных видов, и дрожжи служат отличным модельным организмом, говорит Осава. «Наши результаты позволяют предположить, что активность NSF не ограничивается только азотным метаболизмом и что этот фактор может функционировать как реостат, подготавливающий популяцию клеток S. pombe к неминуемой нехватке предпочитаемых питательных веществ. Изучая дрожжи, мы получили важные знания в области клеточной биологии и регуляции экспрессии генов», - отметил он. «Помимо фундаментальных знаний, глубокое понимание метаболизма дрожжей становится особенно актуальным в патогенных ситуациях».
