Хищные бактерии свирепы, обладают баллистическими свойствами и полны больших возможностейХищные бактерии свирепы, обладают баллистическими свойствами и полны больших возможностей
В 1962 году Хайнц Штольп, исследователь из Берлина, занимался поиском новых вирусов, когда у него закончились фильтры, при помощи которых они отфильтровывались из образцов.
Поэтому он заменил фильтры на другие, с чуть более крупными отверстиями: 1,35 микрона вместо 0,2 микрона. Никакие вирусы, которые обычно размножаются очень быстро, не выросли на чашках, которые он покрыл бактериями, чтобы использовать их в качестве корма для вирусов, и в этот момент содержимое следовало выбросить. Но он не успел этого сделать, и через несколько дней появилась интересная картина: дыры в газоне из бактерий. Что-то очень маленькое - но не вирус - поедало его приманку. Штольп, не будь дураком, ухватился за возможность идентифицировать нового хищника.
Под его микроскопом оказалась стая Bdellovibrio bacteriovorus. Ни один бактериолог еще не сталкивался с тем, что увидел Штольп: с целеустремленным, активным и утонченным убийцей. Микроорганизмы Bdellovibrio - это бактерии-торпеды, которых иногда называют "самыми маленькими в мире охотниками". Размером всего в одну пятую от размера обычной бактерии, они превосходят свои размеры. Отдельная особь Bdellovibrio мчится до тех пор, пока не врежется в добычу. Когда это происходит, удар настолько силен, что жертва отшатывается на несколько клеточных длин и перестает двигаться в течение нескольких секунд.
Прикрепившись к жертве баллистически, Bdellovibrio проникает внутрь и вычищает ее, как команда бегунов во время шведского стола после 10-километровой гонки. Его системы освобождения жертвы от внутренностей настолько развиты (один из авторов назвал этот процесс "изысканным молекулярным расчленением"), что когда он заканчивает есть, ничего не остается, кроме фрагментов мембраны.
Большинство бактерий питаются детритом или производят собственную пищу. Но с тех пор как Штольп открыл Bdellovibrio, ученые поняли, что хищные бактерии разнообразны, важны и потенциально полезны. Они соперничают с такими убийцами, как амебы и вирусы, в качестве уничтожителей огромных бактериальных популяций в почве, и ученые надеются, что их можно будет использовать для лечения людей и животных в качестве динамических антибиотиков.
Как только ученые поняли, что искать, они обнаружили Bdellovibrio-подобные организмы практически везде, включая фекалии птиц и млекопитающих и, возможно, даже кровь человека, где были найдены короткие последовательности нуклеиновых кислот с признаками хищных бактерий. Как и вирусы, которые охотятся на бактерии, они могут находиться внутри вас прямо сейчас.
Большинство бактериальных хищников не вторгаются в свою жертву, как это делает Bdellovibrio, но их стратегии могут быть не менее изобретательными. Lysobacter специализируется на разрушении при контакте и может уничтожать не только другие бактерии, но и зеленые водоросли, грибки и даже маленьких извивающихся животных, называемых круглыми червями.
Vampirovibrio и Vampirococcus, в соответствии со своим названием, имеют цитоскелетные выступы, иногда называемые "клыками", которые погружаются в тело жертвы перед тем, как выкачать ее содержимое. Некоторые из этих вампиров являются вегетарианцами: Vampirovibrio chlorellavorus охотится на зеленые водоросли. Он настолько хорош в своем деле, что стал вредителем в экспериментальных водорослевых биореакторах, предназначенных для производства биотоплива. Как только он попадает в один из реакторов, почти 100 % урожая погибает в течение одного-двух дней.
Другие охотятся "волчьими стаями". Бактерии Herpetosiphon - это огромные скользящие нити, которые могут превышать миллиметр в длину и, на первый взгляд, являются водорослями. Под микроскопом они выглядят как стая змей и используют свои коллективные мышцы, чтобы пробивать дыры в колониях своей добычи, как таран или бульдозер. Попав внутрь, они поджигают колонию, взрывая добычу разрушительными химическими веществами, в то время как другие клетки Herpetosiphon образуют стену, чтобы предотвратить побег. Затем все вместе они пируют внутри.
Группа скользящих, спиралевидных бактерий под названием Saprospira, похоже, воспользовалась стратегией, применяемой некоторыми грибами, растениями и многими пауками: они ловят добычу своими липкими телами, иногда даже выращивая паутину. Некоторые из них могут ловить плавающих бактерий за кончик хвоста, а те после поимки бесполезно крутятся вокруг своей оси. Эти хищники могут даже подбирать пищу, просто двигаясь, как липкий, крошечный детеныш песчаного червя или как кусочек макарон cavatappi.
Однако этот зверинец может быть только малой частью огромного мира. Мы все еще мало знаем об истинном разнообразии или важности хищных бактерий, а пробел в знаниях о них настолько велик, что кажется гротескным. Открытие Bdellovibrio Штольпом в 1962 году равносильно тому, как если бы в 1676 году (в год, когда голландский ученый Антони ван Левенгук впервые заметил бактерии) мы заметили дикую козу, но почти 300 лет спустя обратили внимание на львов.
Чтобы понять истинную экологическую силу хищных бактерий, в исследовании, опубликованном в журнале mBio в апреле 2021 года, измерялась реакция хищников на радиоактивно меченую пищу, добавляемую непосредственно в их среду обитания в 15 диких местах по всей Северной Америке. Было обнаружено, что при обилии пищи облигатные хищники, такие как Bdellovibrio и Vampirovibrio, растут, метаболизируются и питаются гораздо быстрее, чем нехищные бактерии. И чем больше было пищи, тем более доминирующими они становились в экосистеме, что также справедливо и для хищных животных.
Авторы пришли к выводу, что значение бактерий как почвенных хищников конкурирует с вирусами и более сложными микробами, такими как амебы, которые были изучены значительно глубже. Если это правда, то это очень важно. В этом столетии мы можем прийти к выводу, что нам очень важна точность наших моделей земных экосистем. Если это так, то мы захотим узнать все, что можно, о бактериях, обладающих огромной властью над продуктивностью почвы и воды.
Но значение бактериальных хищников выходит за рамки экологии. Биохимические арсеналы этих микробов - богатый арсенал для биотехнологий: остро необходимы новые антибиотики. Ученые уже предложили и проверили идею использования целых хищных бактерий в организме животных - для местного применения, приема внутрь или даже инъекций - в качестве живых антибиотиков. Примечательно, что до сих пор они выглядели безопасными и эффективными на лабораторных животных. Но возможно, устойчивость патогенов к хитроумным, эволюционирующим хищникам окажется более труднопреодолимой, чем к статичным биохимическим антибиотикам, которые мы используем в настоящее время.
Если из истории с Bdellovibrio и ему подобными и можно извлечь какой-то урок, то это знакомый до боли рефрен: финансирование фундаментальных исследований разнообразных организмов жизненно необходимо не только потому, что они важны сами по себе, но и потому, что судьбоносные открытия скрываются там, где мы меньше всего их ожидаем. Шотландский микробиолог Александр Флеминг изучал "чисто академическую бактериологическую проблему", когда он открыл пенициллин. Микробиолог Эммануэль Шарпантье и биохимик Дженнифер Дудна просто пытались понять, как Streptococcus pyogenes защищается от вирусов, когда они наконец поняли принцип работы и возможности применения CRISPR-Cas9. А Штольп искал вирусных хищников патогена фасоли - исключительно в целях классификации, - когда обнаружил первого в мире специализированного бактериального хищника.
