Американские биологи разгадали один из секретов червей-убийц, с помощью которых люди борются с вредителями сельского хозяйства. Они поняли, каким образом те активируют свое "биологическое оружие" — смертоносных для насекомых бактерий, живущих у них в кишечнике. Теперь люди смогут использовать это оружие, не прибегая к услугам самих червяков.
Известные многим специалистам по защите растений от вредных насекомых (но, увы, не широкой общественности) интересные круглые черви Heterorhabditis bacteriophora обладают уникальной "профессией" в мире животных. Они являются не просто "киллерами", а специалистами по применению биологического оружия. Не исключено, что эти нематоды были первыми живыми существами на Земле, которые "додумались" до такого способа умерщвления жертвы (впрочем, возможно, на самом деле таковыми были их близкие родственники из рода Steinernema, о которых можно прочитать" здесь).
Жизнь гетерорабдитисов проста и незамысловата — молодая личинка, в кишечнике которой находятся тысячи бактерий из рода Photorhabdus luminescens (получившие свое название за способность светиться) тихо сидит в почве и поджидает личинку насекомого. Как только та подойдет к ней вплотную, нематода проникает в тело жертвы через дыхальца, анальное отверстие или трещинку в покровах. Оказавшись внутри, хищный червь сбрасывает "овечью шкуру" и превращается в коварного убийцу.
Гетерорабдитис выпускает из своего кишечника (в основном через анус) все имеющиеся у него бактерии, которые начинают стремительно размножаться, не забывая при этом синтезировать вещества Tc и Mcf. Эти органические токсины быстро убивают насекомое (которое не может никак от них защититься), однако самой нематоде не вредят. Та же, поняв что "клиент" уже мертв, начинает питаться жидкой кашицей, в которую превращаются под действием токсинов внутренние органы жертвы.
Читайте также: Растения прибегают к услугам грибов-киллеров
Вот так, прихлебывая питательный бульончик, личинка мимоходом превращается во взрослую форму, находит "вторую половинку", поселившуюся в том же насекомом, спаривается, откладывает яйца и с чувством выполненного долга отходит в мир иной. Когда молодежь вылупляется из яиц, от несчастной жертвы остается лишь несъедобный хитиновый панцирь, и они, поняв, что делать тут уже нечего, выбираются наружу. Но перед этим каждая новая личинка глотает некоторое количество бактерий — нельзя же отправляться в путешествие безоружной!
Долгое время ученые, исследовавшие жизнь гетерорабдитисов, не могли понять, почему живущие в кишечнике нематоды бактерии не выделяют там свои опасные вещества, а оказавшись "на воле", сразу же начинают травить всех вокруг. При этом было известно, что клетки Photorhabdus внутри червя находятся в активной стадии — они интенсивно размножаются. Однако ведут себя тихо и не пытаются никого убить. Каким же образом осуществляется превращение мирного симбионта в опасного киллера?
И вот недавно группа биологов из Университета Калифорнии в Сан-Диего и Йелльского университета (США) наконец-то выяснила, в чем тут дела. Авторы работы обратили внимание на то, что Photorhabdus luminescens может образовывать две формы. Первую из них назвали P-формой, а вторую- M-формой (от слов pathogenic и mutualistic). И подобные названия были даны вовсе не за красивые глаза.
Оказалось, что лишь клетки M-формы способны прикрепиться к стенке кишечника червя, проникнуть в его клетки, а затем и в сам просвет пищеварительного тракта личинки. При этом сами клетки этой формы более мелкие, размножаются они медленно и токсичные вещества производить неспособны. Поэтому единственное, что им остается — это мирно жить в кишечнике гетерорабдитиса, плодиться и размножаться.
Однако перед тем, как личинка будет готова выйти на охоту за насекомыми, эти мирные сожители превращаются в более крупные Р-клетки, которые и размножаются в несколько раз быстрее, и яды могут вырабатывать. Их-то и выпускает личинка, пробравшись в свою шестиногую "столовую", они-то и убивают жертву, и именно их заглатывают личинки следующего поколения перед тем, как выбраться из уже съеденной родителями добычи.
Но вот беда — клетки этой агрессивной формы не могут самостоятельно забраться в кишечник для того, чтобы пережить голодные времена. А все потому, что они не умеют налаживать контакты с клетками кишечника червя. Поэтому для того, чтобы выжить, бактерии должны опять превратиться в мирную M-форму, которая забирается в "казарму и терпеливо ждет следующего "сигнала тревоги".
Что же отвечает за подобную метаморфозу? Исследовав геном бактерии, ученые обратили внимание на интересный участок под названием madswitch (название которого следует переводить как "регулятор генов mad", а вовсе не как "свихнувшийся переключатель"). Этот участок ДНК действительно регулирует активность важного генетического комплекса mad, отвечающим за синтез белков, способных контактировать с клетками кишечника червя.
Биологи выяснили, что у мирной M-формы этот регулятор работает, и информация с генов mad постоянно считывается. Именно поэтому эти клетки легко проникают в кишку нематоды. Впрочем, судя по всему, активность данных генов подавляет работу других участков ДНК — поэтому-то M-формы не производят ядов, а также антибиотиков для подавления бактерий-конкурентов, а также белков Cips и других веществ, необходимых личинкам для нормального роста в мертвом насекомом. Да и светятся эти клетки куда слабее, чем их Р-собратья. Однако нет худа без добра — активность madswitch позволяет М-клеткам быть более устойчивыми к действию многих антибиотиков.
Что касается агрессивных Р-форм, то вот у них-то madswitch оказывается полностью выключенным. Именно поэтому они не могут производить белки, ответственные за контакт с клетками кишечника (потому что не работает комплекс mad), но зато способны на другие интересные и полезные вещи. А выключается этот участок за счет деятельности расположенного рядом с ним гена madR - его белок и глушит активность "переключателя". Обратное же переключение, способствующее возникновению М-формы? осуществляет последовательность madO, которая находится совсем в другой части той же хромосомы.
Ученые предполагают, что бактерии могут как-то сами регулировать частоту прямых и обратных превращений, меняя уровень активности участков madR и madO. Правда, непонятно, происходит ли это в природе. В лабораторных же условиях метаморфозы происходили случайным образом — P-формы превращались в M-собратьев с частотой 1,21·10-3 на клетку за поколение, а частота обратных превращений была ниже: всего 4,30·10-5. Но не исключено, что в естественных условиях все это регулируется старым добрым способом под называнием естественный отбор.
В самом деле, в полости кишечника червя перед тем, как он решит, что настало время обедать, и в теле насекомого, P-формы резко преобладают, потому что быстрее размножаются (то есть имеют селективное преимущество над M-формами, вытесняют их). Но прикрепиться к стенке кишечника нематоды у молодых червей могут только M-формы, которые и доминируют именно на этих стадиях жизненного цикла. Тем не менее, всего за одну неделю, прошедшую после того, бактерия попадет в "казарму", M-формы практически полностью вытесняются P-формами. В результате молодой гетерорабдитис оказывается "вооружен и очень опасен", то есть полностью готов к дальнейшей тяжелой работе на благо всего человечества.
Данный случай интересен с точки зрения современных эволюционных представлений — хотя бы потому, что он является одним из исключений из общего правила, согласно которому? приобретенные признаки не могут наследоваться (наследуются лишь изменения генома, случившиеся в половых клетках). Но ведь у P. luminescens действительно с завидной регулярностью в процессе жизни меняется сам геном, и эти изменения, без сомнения, передаются потомству. Формально их даже можно назвать "эволюционными", ведь они очень похожи на мутации (пусть даже они целенаправленные и регулируемые), которые поддерживаются естественным отбором и помогают бактерии всякий раз адаптироваться к новой среде. Так что в этом случае в оказались правы сторонники Ламарка (допускающие такое наследование), а не последователи Дарвина (относящиеся к нему скептически).
Читайте также: Если отравился — скушай бактерию!
С практической же точки зрения работа американских биологов ценна тем, что теперь, когда стало понятно, как превратить мирных бактерий в биологическое оружие, в деле защиты растений можно обойтись и без нематод. Достаточно лишь модифицировать самих P. luminescens так, чтобы они давали только Р-форму, вырастить их в лаборатории (что куда легче, нежели поддерживать культуру гетерорабдитисов) и опрыскать суспензией из их клеток поля, сады и огороды. То есть теперь люди смогут, не прибегая к услугам червя, использовать его биологическое оружие…
Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"