Архебактериальные фаги, регулирующие развитие экстремально галофильных микробных сообществ Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 57.056

И. А. Волокитин*, М. М. Баурина, С. В. Калёнов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]

АРХЕБАКТЕРИАЛЬНЫЕ ФАГИ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ РАЗВИТИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНО ГАЛОФИЛЬНЫХ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ

Исследованы природные галофильные сообщества оз. Аликес и Шотт-Эль-Джерид на наличие архебактериальных фагов. Выявлены лизогенные фаги, предположительно определяющие развитие архейных составляющих сообществ, установлены условия индукции и показана их роль в регулировании модельных сообществ из двух- трех компонентов.

Ключевые слова: галофильные сообщества; галоархейные фаги; архебактерии.

Сообщество галоархей представляет большой интерес для биотехнологов и микробиологов. Разнообразие семейства Halobacteriaceae, обуславливает неоспоримую практическую значимость его представителей. На данный момент производят и получают ряд продуктов, начиная от различных ферментов и вакцин, и заканчивая археолипосомами и бактериородопсином, который расположен в пурпурной мембране галобактерий и является основным элементом светозависимой протонной помпы. Применение его крайне широко, так как на основе БР возможно создание принципиально новых биомолекулярных устройств, сенсоров, оптических носителей информации и др. Всё вышеперечисленное свидетельствует о перспективности изучения галоархейных сообществ, как уникального ресурса, продукты которого могут быть использованы в таких сферах деятельности человека, как фармакология, медицина, химическое производство и промышленная электроника.

Галофильные сообщества имеют относительно устойчивую структуру. Регулирование их в полной мере не изучено, однако есть достоверные сведения об их внутренней иерархии. В состав сообщества обычно входят до пяти доминирующих и несколько десятков минорных микроорганизмов, среди которых встречаются некультивируемые формы. Галофильные сообщества включают не только архебактерии, но и бактерии, водоросли, в очень редких случаях грибы. Бактериальная составляющая может быть представлена видами, индивидуально в солевой среде не развивающимися и жизнедеятельность которых зависит исключительно от осмопротекторов и др. метаболитов галофилов.

В целом, к подобным сообществам можно обратиться, как к хорошей биотехнологической модели, которую также удобно моделировать и математически. Однако, возникает ряд проблем в связи с недостатком необходимой информации: если взаимодействия непосредственно микроорганизмов описаны и исследованы, о функционировании фагов галофильных прокариот, тем более, фагов архебактерий в составе сообщества не известно практически ничего. В связи с этим, в настоящей

работе поставлена задача выяснения роли галоархейных фагов в регулировании микробных сообществ.

К настоящему времени изучено около 20 представителей фагов галоархей. История их открытия довольно коротка. В отличие от вирусов прокариот и эукариот и даже в отличие от вирусов других экстремофильных архейных организмов, вирусы галоархей впервые были обнаружены лишь в конце 70-х годов прошлого века. На данный момент исследователи обладают лишь некоторыми данными о морфологии и экологии подобных вирусов. Но эти данные свидетельствуют об уникальности и разнообразии галоархейных паразитов.

Действительно, фаги отличаются по форме (икосаэдрические, веретенообразные) и по спектру воздействия, варьируя от тех, кто поражает широкий спектр галоархей и заканчивая крайне специфичными представителями. Все они несут в себе двухцепочечную молекулу ДНК (как линейную, так и кольцевую) и, как и следовало ожидать, также, как и клетки хозяев, требуют высоких концентраций солей для возможного развития и жизнедеятельности. Вся эта информация, несомненно, важна, но она не сможет ответить на вопрос о регулировании сообществ. О самом взаимодействии между вирусом и хозяином достоверной информации также нет. В связи с этим, была выдвинута идея о воспроизведении фаговой индукции с применением модельных сообществ, для дальнейшего изучения активности галоархейных фагов.

Природные сообщества озера Шотт-Эль-Джерид (Тунис) и из озера Аликес (о. Кос, Греция) исследовались в рамках настоящей работы. В разные сезоны и из разных локаций выбраны образцы кристаллов соли, ненасыщенных и насыщенных солевых растворов, а также образцы со дна озер.

Первоначальные исследования состояли в выделении и идентификации галоархейных составляющих сообществ. Из сообществ выделены и охарактеризованы доминирующие и минорные культуры, предварительно установлены основные отношения в сообществе. Также сделаны подходы к

созданию оптимальной универсальной среды, регулирование состава которой приводит к регулированию состава сообщества.

Чтобы воспроизвести и реализовать индукцию фага в лабораторных условиях был реализован метод, с помощью которого можно определить наличие фагов в исследуемом образце. Исследовались фаги, безусловно приводящие к лизису культур при смещении параметров сообщества - именно эти фаги должны учитываться в последующем математическом моделировании модельных сообществ. Исходя из этого, сформулирована следующая схема эксперимента: исследуется выборка в виде двух копий. Первая копия используется для индуцирования предположительно имеющихся фагов. Если наличие фага подтвердилось, то из зон лизиса отбирается материал для пересева на газон, полученный из второй копии. Предложенный метод довольно прост и обладает неоспоримыми преимуществами: во-первых, он помогает определить наличие всех фагов, подвергающих лизису исследуемую пробу, во-вторых появляется возможность размножения фагов при повторном обнаружении лизирующих зон.

Следующим шагом было установление взаимоотношений между микроорганизмами и

вирусом. Установлены культуры, жизнедеятельность которых, скорее всего, определена присутствием фага. Показана роль фага в регулировании сообществ в составе двух- трёхкомпонентных систем на фоне воздействия стресса (голод, температурный шок, УФ-индукция) на ассоциацию. С помощью трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) были получены первоначальные представления о выделенном наборе лизогенных фагов. В дальнейшем планируются провести процесс секвенирования для определения геномов исследуемых архейных фагов.

Проведённое исследование показало, что само существование галоархейного сообщества во многом определено наличием в этом сообществе определенного набора фагов. Эксперименты проводились в различных условиях (глубинное культивирование в колбах, культивирование на агаризованной среде на чашках Петри), при различном подходе к индукции. Установлены предварительные зависимости между

концентрациями фагов, архебактерий, условиями индукции, которые в дальнейшем могут использоваться для создания полноценной математической модели галофильного сообщества.

Волокитин Иван Александрович, студент 2 курса факультета Биотехнологии и промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Калёнов Сергей Владимирович, к.т.н., доцент кафедры Биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Баурина Мария Михайловна, к.х.н., доцент кафедры Биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Mike Dyall-Smith, , Sen-Lin Tang, Carolyn Bath Haloarchaeal viruses: how diverse are they?// Research in Microbiology 154 (2003) 309-313

2. Carolyn Bath, Tania Cukalac, Kate Porter, Michael L. Dyall-Smith His1 and His2 are distantly related, spindle-shaped haloviruses belonging to the novel virus group, Salterprovirus// Virology 350 (2006) 228-239

3. H.-W. Ackermann 5500 Phages examined in the electron microscope// Arch Virol (2007) 152: 227-243 Volokitin Ivan Alexandrovich*, BaurinaMarinaMikhaylovna, Kalenov Sergei Vladimirovich

D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

ARCHAEBACTERIA PHAGES REGULATING DEVELOPMENT OF EXTREMELY HALOPHILIC MICROBIAL COMMUNITIES

Abstract

To ascertain the existence of phages of archaebacteria the natural halophilic communities of lakes Alikis and Chott el Djerid were studied. Some lysogenic phages, which were presumably, determine the development of the archaea, being constituents of the communities were revealed; the conditions of induction were determined, and their role in regulation of model communities of two- three components was shown.

Key words: haloarchaeal phages; halophilic communities; archaebacteria.