Каждая клетка — маленький мир: исследован состав микробиомов инфузорий

Группа ученых из Санкт-Петербургского университета, Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, университетов Пизы и Флоренции представила результаты исследования микробиома инфузорий-трубачей (Stentor coeruleus). Это одно из первых в мире исследований микробиомов одноклеточных эукариот, которое стало возможно благодаря метагеномному анализу.

Научная работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Микробиом — это совокупность микроорганизмов, населяющих общую экологическую нишу. Он существует и в природных биотопах (например, водоеме или участке лесной почвы), и у живых многоклеточных организмов-хозяев (человека, животного или растения). В состав микробиома могут входить бактерии, археи и одноклеточные эукариоты — протисты и грибы.

На протяжении трех лет ученые проводили анализ микробиомов двух видов инфузорий: туфелек (Paramecium, или парамеций) и трубачей (Stentor, или стенторов). Результаты исследования инфузорий-туфелек были опубликованы минувшей зимой. Новая публикация — следующий шаг на пути изучения микробиомов протистов.

Исследования микробиомов человека и животных сейчас очень популярны, но микробиомы протистов только начинают изучать. Ранее вопрос о том, могут ли сами протисты обладать микробиомом, то есть выступать в качестве хозяев для сообщества прокариот, практически не затрагивался, поэтому наши результаты, по сути, формируют новое научное направление.

Руководитель исследования, профессор кафедры микробиологии СПбГУ кандидат биологических наук Алексей Потехин

Мысль о том, что у инфузорий может быть свой микробиом, возникла не случайно: ученым известно, что эти организмы погибают в стерильных условиях. Для поддержания их в жизнеспособном состоянии необходимо присутствие бактерий в среде. Однако охарактеризовать состав этих бактерий подробно, а также отделить «население» инфузории от обитателей водоема, из которого она была взята, было практически невозможно из-за отсутствия методов. Приблизиться к разгадке позволил метагеномный анализ, который раньше практически не применялся к протистам.

«Этот подход позволяет выявить и прочитать все маркерные последовательности ДНК в образце, по которым можно затем идентифицировать их хозяев (для бактерий и архей это последовательность гена 16S рРНК). Благодаря метагеномному анализу и высокопроизводительному секвенированию в последние 10–15 лет колоссально выросли наши представления о разнообразии микроорганизмов в природе. Мы применили метагеномный анализ для выявления бактерий, ассоциированных с клетками широко распространенных пресноводных инфузорий — Stentor и Paramecium», — рассказывает ученый.

Инфузория Stentor
Инфузория Stentor

Исследователи выяснили, что состав микроорганизмов в среде обитания инфузорий, будь то природный водоем или лабораторная культура, всегда заметно отличается от совокупности бактерий, в значительном количестве обнаруживающихся в ассоциации с самими инфузориями. Разнообразие микроорганизмов в природных водоемах всегда богаче, чем в клетках инфузорий, однако ученым удалось обнаружить в них представителей десятков родов бактерий. Каждая клетка инфузории оказалась самостоятельной экологической нишей. «Таким образом, у инфузорий, действительно, существует собственный микробиом», — подчеркивает Алексей Потехин.

Второй важный вывод, к которому пришли ученые, — микробиом стенторов отличается от микробиома парамеций, то есть разные инфузории, даже выделенные из одного водоема, сосуществуют с разными бактериями. Однако чтобы определить видовые особенности микробиомов, их стабильность и специфичность, понадобятся дальнейшие исследования.

И наконец, третье открытие, которое сделали биологи, — в микробиомах инфузорий, особенно трубачей, живут представители родов бактерий, в которых встречаются виды-комменсалы, оппортунисты и патогены человека и животных (например, Mycobacterium, Streptococcus и Neisseria). Метод исследования не позволяет точно определять виды (только роды), поэтому на данный момент нельзя утверждать, что инфузории являются переносчиками патогенных бактерий. «В любом случае очевидно, что в сожительство с инфузориями вступают преимущественно такие бактерии, которые "умеют" жить в ассоциации с организмами-хозяевами. По всей видимости, эти бактерии, оказавшись вне хозяина, в водоеме, за неимением лучшего приспосабливаются к колонизации протистов — как-никак это крупные эукариотические клетки, сходные с клетками многоклеточных, и выжить некоторое время можно или у них внутри, или снаружи, в зависимости от тактики конкретной бактерии. Бактерии-сожители редко чувствуют себя в таких ассоциациях по-настоящему хорошо для быстрого размножения (их количества, как показал наш анализ, всегда невелики), но им достаточно комфортно для того, чтобы пережить трудные времена. Таким образом, инфузории (и, весьма вероятно, другие протисты) выступают в роли природного резервуара для бактерий, которые оказались вне предпочтительного для них многоклеточного хозяина», — заключает ученый.