МИКРОБИОЛОГИЯ БИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТОВ ТОМ I - А. В. ПИНЕВИЧ - 2006

ГЛАВА 3. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ АРХЕЙ

То work as a specialist is necessary; to think as a specialist may be dangerous.

(Работать, как специалист, нужно обязательно; думать, как специалист, бывает опасно).

A. MacFadyen. The Cell as a Unit of Life and other Lectures Delivered at the Royal Institution, 1899-1902 (London, 1908).

Подобно бактериям, археи получили «правильный» таксономический статус с большим опозданием. От момента их первого описания (1919 г.) до момента их обособления в мегатаксон Аrchaea (конец 1970-х годов) прошло больше полувека.

Причины были следующими:

— интерес к археям никогда не был утилитарным, поскольку среди них отсутствуют патогенные формы, и их мало используют на практике;

— исследование биоразнообразия архей началось только с середины XX в., поскольку они занимают преимущественно экстремальные ниши, скрининг которых технически сложен;

— изучение строения архей стало возможным только с середины XX в., так как для него требуются сложные биохимические и молекулярно-биологические методы;

— до разработки молекулярных подходов к реконструкции глобальной филогении архей рассматривали как бактерий-экстремофилов, и помещали в соответствующие бактериальные таксоны, обособленные по фенотипическим признакам.

Археи уступают бактериям по общему числу описанных видов (217 против 5007). Несмотря на это, они не только эквивалентны бактериям по морфологическому разнообразию и спектру физиолого-биохимических свойств, но и имеют ряд уникальных особенностей (см. гл. 8).

Клетки архей бывают сферическими, палочковидными, нитевидными, спирально изогнутыми и лопастными, а также могут образовывать выросты-простеки; помимо этого, существуют «квадратные» и «треугольные» морфологические варианты.

За исключением представителей семейства Тhermoplasmасеае, все археи имеют ригидную стенку из белка (S-слой), гетерополисахарида или псевдомуреина — аналога бактериального муреина; известны случаи образования дополнительных покровов и внеклеточного матрикса. По типу строения клеточной оболочки археи конвергируют с грамположительными бактериями (см. раздел 8.1.2), однако их цитоплазматическая мембрана имеет уникальный липидный состав (см. раздел

8.3.3.2). В отличие от грамположительных бактерий, археи лишены наружной мембраны. Как следствие, у них не может быть трихомов, хотя и встречаются многоклеточные, в том числе нитчатые, агрегаты. Внутриклеточные мембранные структуры у них отсутствуют.

Археи могут плавать при помощи жгутиков, которые морфологически сходны с бактериальными, однако не гомологичны им по молекулярному строению и механизму биогенеза; подвижность путем скольжения не наблюдается. В цитоплазме встречаются такие же включения, как у бактерий, в частности газовые везикулы. Археи больше, чем бактерии, склонны к образованию плеоморфных форм. В отличие от бактерий, они не образуют эндоспор.

Энергетический метаболизм архей относится к хемотрофному типу, в том числе у них существуют несколько вариантов хемолитотрофии. Среди них нет фототрофов, хотя известны случаи археотной квази-фототрофии, основанной на каротинопротеиновом фоторецепторном аппарате, который можно рассматривать как молекулярную альтернативу бактериального «хлорофильного» фотосинтетического аппарата. Конструктивный метаболизм архей бывает гетеротрофного или автотрофного типа. Во втором случае используются уникальные механизмы ассимиляции углерода. У архей редко наблюдается диазотрофия.

Археи распространены во всех глобальных нишах, занимаемых бактериями (см. раздел 7.3). Однако среди них относительно мало симбионтов, а патогенные формы вообще не обнаружены. Очень многие археи являются экстремофилами, и некоторые из них обладают такой жизнеспособностью, которая невозможна у других организмов.

3.1. Экстремальные галофилы

Представители этой группы растут при концентрации соли свыше 250 — 300 г • л^-1. Их начали изучать раньше других архей. Напомним, что общей закономерностью экстремальных ниш является бедный видовой состав и высокая плотность популяции доминирующих форм. На примере экстремально галофильных архей, это можно наблюдать невооруженным глазом благодаря малиновой пигментации их клеток.

Первое упоминание о прокариотах связано именно с археями. Оно содержится в древнекитайском хозяйственном трактате, составленнном в III тысячелетии до н.э. Речь идет о покраснении воды в мелком испарительном пруде, отгороженном от морской акватории с целью добычи поваренной соли. Подобное явление также наблюдается в лежащих ниже уровня моря терминальных водоемах — Мертвом море на Синайском полуострове, оз. Вади Натрун в Египте, оз. Магади в Кении, оз. Самбхар в Индии, в соленых озерах Монголии и Тибета, а также в Великих Соленых озерах штата Калифорния (США). Экстремально галофильные археи, развивающиеся при испарении морской воды, получили название талассогалинных (греч. thalassa — море и alos — соль). Алкалитолерантные и магнийтолерантные «аталассогалинные» археи развиваются при испарении содовых водоемов на суше.

Метаболизм у экстремально галофильных архей хемогетеротрофного типа. В отсутствии энергетического стресса они окисляют аминокислоты с помощью аэробного дыхания. Благодаря своей протеолитической активности они портят засоленные мясные или рыбные продукты, а также кожевенные материалы.

Впервые под видом «экстремально галофильных бактерий» их описал немецкий микробиолог Клебан (Н. Klebahn) в 1919 г. На основе данных, которые Харисон (F. С. Harrison), Лочхед, Баас Бекинг (L. G.M. Baas Beking) и Волькани (В. Е. Volcani) получили в 1920-1940-е годы, они были охарактеризованы в морфофизиологическом плане и помещены в семейство Halobacteriaceae.

Классификация экстремально галофильных архей проводится в соответствии с их морфологией и ионным составом среды обитания (в родовом названии используется приставка Halo- в случае обогащенности воды хлоридом натрия или магния и Natrono-, если это содовый водоем). Галоархеи имеют палочковидную (Halobacterium, Natronobacterium и др.) или сферическую форму (Halococcus, Natronococcus и др.), а также бывают плеоморфными (Haloferax и др.). В 1980 г. американский бактериолог Уолсби (А. Е. Walsby) описал «квадратных» архей из рода Haloarcula, которые живут в соленом водоеме на западном берегу залива Эйлат на Синайском полуострове.

В 1967 г. Стекениус (W. Stoeckenius) выделил из Halobacterium salinarium «пурпурные» мембраны. Они содержат ретинопротеин бактериородопсин, который работает как светозависимая протонная помпа. Благодаря ей при снижении парциального давления кислорода эти археи могут временно переключаться на квази- фототрофию. В 1971-1994 гг. обнаружили еще четыре типа ретинопротеинов, которые участвуют в транспортных и регуляторных процессах (галородопсин, сенсорные родопсины, фотофобородопсин и круксродопсины).

Хотя бактериородопсин был одним из первых мембранных белков, выделенных в кристаллическом виде, только в 1996 г. Ландау (Е. М. Landau) и Розенбуш (J. Р. Rosenbush) получили кристаллы, подходящие для рентген- кристаллографического анализа с уровнем разрешения до 1,55 А. В настоящее время это позволило реконструировать механизм транслокации протонов через пурпурную мембрану.

3.2. Метаногены

В 1776 г. итальянский физик Алессандро Вольта (A. Volta) впервые описал образование метана в илах и болотах. На рубеже XIX-XX вв. после работ Хоппе-Зейлера (F. Hoppe-Seyler), В. Л. Омелянского и ряда других исследователей анаэробных ниш была доказана возможность образования метана не только абиогенным путем, но и за счет жизнедеятельности микроорганизмов.

Метаногены очень разнообразны по внешнему строению, и вначале их классифицировали как представителей разных морфологических групп анаэробных гетеротрофных бактерий.

До середины XX в. биогенез метана называли «метановым брожением» (в настоящее время установлено, что это особый тип дыхания). В 1902 г. Омелянский пытался доказать, что в качестве «сбраживаемого» субстрата используется целлюлоза. Однако в 1967 г. выяснилось, что выделенная им культура («Methanobacillus omelianskii») представляет собой симбиотическую ассоциацию между бактерией, которая окисляет этанол до ацетата и водорода, и метаногеном, который восстанавливает двуокись углерода с помощью водорода. Такое трофическое взаимодействие называется «межвидовым переносом водорода». Оно позволяет устранить эффект торможения окислительного процесса конечным продуктом реакции, что служит одним из краеугольных камней экологии анаэробных микроорганизмов.

Джеймс Баркер предположил в 1936 г., что метаногенные прокариоты восстанавливают углекислоту до метана, используя в качестве донора электронов молекулярный водород или другие субстраты, например, оксид углерода. В 1940 г. он подтвердил это с помощью радиоуглеродного анализа. В 1948 г. Басвел (А. М. Buswell) и Солло (F. W. Sollo) установили, что источником образования метана, помимо углекислоты, может быть метанол или метильная группа ацетата. В 1956 г. Баркер пришел к выводу, что ведущим таксономическим признаком метаногенов служит не их морфология, а уникальная способность к образованию метана, и на этом основании поместил их в отдельное семейство Methanobacteriaceae.

Метаногены являются облигатными анаэробами, и получить их чистые культуры удалось не сразу. Лишь в 1947 г. Схнеллен (С. G. Schnellen) выделил Methanobacterium formicicum и Methanosarcina barkeri. В 1976 г. Белч (W. Е. Balch) и Ральф Вулф разработали методику для выращивания метаногенов на газовой смеси из углекислоты и водорода в соотношении 1:4 под давлением 2 бар.

Метаногенные археи подразделяются на две субгруппы — «автотрофные», или восстанавливающие СО₂ за счет Н₂ и «ацетокластические», которые образуют метан из ацетата. Кроме того, субстратами метаногенеза могут быть формиат, окись углерода, метанол, метиламины и метионин.

Несмотря на относительно узкий круг используемых субстратов, метаногены занимают разнообразные экологические ниши. Это илы пресноводных и солоноватых водоемов, гидротермальные источники и геотермальные поля. Они живут в пищеварительном тракте животных (от насекомых до млекопитающих) и в полостях стволов растений (примером служит семейство Salicaceae), а также являются эндосимбионтами некоторых протистов. В частности, в 1958 г. Смит (Р. Н. Smith) и Роберт Хангейт выделили из коровьего рубца первого эктосимбиотического ме- таногена Methanobacterium ruminantium, а в начале 1980-х годов Ван Бругген (J. J. van Brüggen) выделил из цитоплазмы анаэробных амеб и ресничных инфузорий первого эндосимбиотического метаногена Methanobacterium formicicum.

Большинство метаногенных архей — это мезофилы, хотя среди них встречаются термофильные и даже гипертермофильные формы. В 1981 г. Карл Штеттер изолировал из почвы на побережье Исландии термофила Methanothermus, максимальная температура роста которого составляет 97°С. Хубер (Н. Huber) обнаружил в 1982 г. в подводных гидротермах у побережья Италии первого морского гипертермофильного метаногена Methanococcus thermolithotrophicus, температурный оптимум которого 85°С.

В 1960-е годы Ральф Вулф и его сотрудники расшифровали биохимический путь, конечным продуктом которого является метан. Они идентифицировали уникальные кофакторы, участвующие в этом процессе: меркаптоэтан-сульфонат (СоМ), деазафлавин (F₄₂₀), метаноптерин (F₃₄₂), никель-тетрапиррол (F₄₃₀), метанофуран и меркаптогептаноил-треонинфосфат (СоВ). В настоящее время охарактеризованы все ферменты, участвующие в биосинтезе метана из СО₂ и Н₂. Получены кристаллические препараты и определена третичная структура пяти ферментов пути биогенеза метана, что позволило изучить их каталитический механизм.

В конце 1984 г. Мюррей (Р. А. Murray) показал, что мезофильный археот Methanosarcina barkeri способен к диазотрофии. Одновременно с ними Бэйли (N. Balay) обнаружил это свойство у другого метаногена — умеренного термофила Methanobacterium thermolithotrophicus. Истинные масштабы распространения археотной диазотрофии в анаэробных системах, где полисахариды разлагаются при дефиците азота, еще неизвестны.

К настоящему времени секвенированы геномы семи метаногенов (Methanococcus jannashii, Methanothermobacter thermoautotrophicus, Methanosarcina acetivorans, M. barkeri, M. mazei, Methanopyrus kandleri и Methanococcus maripaludis).

3.3. Термоплазмы

В 1970 г. Дэрленд (G. Darland) выделил первого представителя архей, не имеющего ригидной стенки — микоплазму Thermoplasma acidophilum. Этот термоацидофильный микроорганизм (температурный оптимум 59°С, оптимум pH 1-2) приурочен к такой экзотической нише, как терриконы, т. е. саморазогревающиеся отвалы угольных разработок. Оба (М. Ohba) и Ошима (Т. Oshima) выделили в 1982 г. аналогичные объекты из термальных источников в Японии.

3.4. Гипертерморфилы и барофилы

После появления в 1977 г. концепции Карла Воза об археях интерес к ним сильно вырос. Особенно это видно на примере гипертермофильных архей, число описанных видов которых превысило сотню. Нишей для гипертермофилов (по определению, это формы, температурный оптимум роста которых составляет 80-100°С; в отличие от умеренных термофилов, они неспособны размножаться при температуре <60°С) служат гидротермальные, геотермальные и антропогенные высокотемпературные экосистемы.

Браэрли выделил в 1966 г. первого представителя рода Sulfolobus из кислотного термального источника на территории Йеллоустоунского национального парка в США. Независимо от него Брок получил культуру этого термофила, отдельные изоляты которого имеют оптимум роста 87°С.

В 1981-1983 гг. Циллиг (W. Zillig) открыл ряд новых гипертермофильных се- разависимых ацидофилов, относящихся к родам Desulfurococcus, Thermococcus, Thermofilum и Thermoproteus. Эти археи окисляют или восстанавливают серу и живут в наземных или подводных термальных источниках, в грязевых вулканах, а также в почве на Азорских островах и в Исландии.

В начале 1980-х годов Карл Штеттер провел скрининг подводных гидротерм близ Неаполя. Итогом стало описание двух новых гипертермофилов/барофилов — Thermodiscus и Pyrodictis, оптимум роста которых равен соответственно 85 и 105°С. В 1997 г. Штеттер выделил из подводной гидротермальной системы типа «черного курильщика» нового представителя барофильных архей. Этот прокариотный организм, получивший название Pyrolobus fumarii, не растет при температуре <90°С и имеет максимальную температуру роста 113°С. Это предельная температура, при которой показано существование органической жизни в активно функционирующем, а не в покоящемся (в виде эндоспор) состоянии. О большом интересе к подобным объектам свидетельствует то, что завершена работа по расшифровке структуры геномов семи видов гипертермофильных архей.

3.5. Новые находки архей

Согласно современной классификации архей, изложенной в «Руководстве Берги по систематике бактерий» (2001 г.), экстремальные термоацидофилы частично относятся к филе АICrenarchaeota, в то время как экстремальные галофилы, метаногены и все остальные термоацидофилы образуют пестрый фенотипический ансамбль филы АII Euryarchaeota.

Барнс (Б. М. Вате) в 1996 г. обосновал существование третьего, самого архаичного филогенетического таксона архей — филы «Korarchaeota».

Все известные корархеоты относятся к числу «фантомных» объектов. Они широко представлены в термальных источниках, в морской воде и почвах.

В середине 2002 г. Харальд Хубер и его коллеги сообщили о выделении нового представителя архей — Nanoarchaeum equitans. Этот ультрамикроскопический организм имеет диаметр 0,4 мкм, а размер его генома составляет всего 500 т. п. н. На основе результатов секвенирования рРНК решили отнести его к четвертой филе архей — «Nanoarchaeota».