Гены

Многие из нас любят сыры, коих существует множество видов. Некоторые из них достаточно нежные на вкус и практически не пахнут, другие же способны заполнить своим ароматом все помещение. Какой бы ни был сыр, он имеет свойство портиться, как и любой другой продукт питания. Во время этого на его поверхности активно размножаются бактерии и грибковые образования. Первым признаком того, что такой сыр лучше не есть, является странный запах. Ученые из университета Тафтса (Медфорд, США) выяснили, что этот запах служит своеобразным методом коммуникации между бактериями и грибками. Как именно происходит ароматическая болтовня микроорганизмов в сыре, как это влияет на созревание сыра, и как данное исследование может помочь пищевой промышленности и не только? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Я, признаться честно, люблю сыр. Не так, как Рокфор из мультфильма Чип и Дейл спешат на помощь, но все же. Один из моих любимых сыров вызывает у некоторых моих знакомых непроизвольное искривление лицевых мышц в недовольную гримасу, слова фу, какая гадость и, конечно же, сопутствующий вопрос как ты можешь это есть?. Думаю, многие уже догадались, что речь идет про сыр с плесенью. Но это не простая плесень, а благородная, что, правда, не отменяет того факта, что вид и запах у этого продукта крайне специфический.

Забавно и то, что некоторые считают, что сыр с плесенью не может испортиться. Это не так, естественно. Когда любой пищевой продукт начинает портиться, то на его поверхности и внутри него образуются нежелательные микроорганизмы в виде плесневых грибков и различных бактерий. От чего поверхность продукта и приобретает вид мохнатого цветного ковра.


Ролик о том, как производится голубой сыр.

В ходе жизненного цикла многие бактерии и грибки способны производить большое количество летучих органических соединений (ЛОС) в виде побочных продуктов своего вторичного метаболизма. Эти низкомолекулярные углеродсодержащие соединения переносятся по воздуху при температуре и давлении окружающей среды, что делает их идеальными химическими посредниками во взаимодействиях между микробами на больших расстояниях.

Летучие органические соединения бактерий и грибков являются объектами многих исследований, основной акцент которых ставится на то, как ЛОС одного микроорганизма влияют на биологию своей монокультуры. Однако никто еще не изучал как ЛОС организма из одной группы влияют на поведение организмов другой группы. Другими словами, никто пока не рассматривал летучие соединения в аспекте межвидовой коммуникации.

На данный момент известно, что ЛОС могут изменять профили устойчивости бактерий к антибиотикам, действовать как антибиотические соединения, способствовать групповому поведению и вызывать изменения в экспрессии генов ближайшего от источника микроба.

Существует также и предположение, что ЛОС могут влиять на рост слабых конкурентов или подавлять рост доминирующих видов, позволяя субдоминантам процветать. Но фактических примеров такого поведения пока не было обнаружено.

Профили ЛОС поверхностных микробов, растущих на сырных субстратах, подвергались детальному изучению для выявления потенциальной пользы с точки зрения производства данного продукта. Эти исследования показали, что грибы, обычно используемые в качестве заквасок (Debaryomyces hansenii, Galactomyces geotrichum и Penicillium spp.) играют ключевую роль в формировании вкусового профиля сыров. Грибы в заквасочной культуре могут продуцировать различные ЛОС в высоких концентрациях. Исследования также показали, что широко распространенные грибки из сырной корки оказывают сильное влияние на рост соседствующих бактерий. Однако, как заявляют ученые, механизмы, лежащие в основе этих взаимодействий, были плохо изучены.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученым удалось выяснить влияние грибковых ЛОС на рост микробов, охарактеризовать изменения в микробиоме в присутствии грибковых ЛОС и определить предполагаемые генетические механизмы, ответственные за ЛОС-опосредованные реакции у этих организмов.

Результаты исследования

Чтобы проверить, может ли продукция ЛОС вызвать рост у соседствующего микроба, было проверено влияние ЛОС пяти наиболее распространенных грибов сырной корки (Galactomyces geotrichum, Debaryomyces hansenii, Penicillium sp., Scopulariopsis sp., Fusarium domesticum) на грибы-продуценты и на филогенетически разнообразные бактерии, которые способны взаимодействовать с грибками (что известно из предыдущих исследований).


Изображение 1

Штаммы респондентов инокулировали в лунки 96-луночного планшета для культивирования клеток, содержащего сырно-творожный агар (CCA от cheese curd agar), и подвергали воздействию одного из пяти грибов-продуцентов, растущих в лунках противоположного планшета (1A). Такая установка позволяла оценивать влияние грибов на бактерии без непосредственного контакта между ними, т.е. исключительно посредством ЛОС.

В ходе наблюдений было обнаружено, что дрожжи и мицелиальные грибы не реагируют на ЛОС грибов-продуцентов в отличие от бактерий, степень реакции которых была крайне сильной и вариативной (1B). ЛОС всех пяти грибов вызывали различные реакции роста у группы тестируемых бактерий: сильная стимуляция, отсутствие эффекта и сильное ингибирование (замедление).

Одни из штаммов грибов-продуцентов (а именно Galactomyces geotrichum 242A) повлиял на наибольшее число бактерий, двое из которых (JB7 Brachybacterium alimentarium и BP626_1 Pseudoalteromonas sp.) отреагировали значительным замедлением роста. Также наблюдалось и сильное стимулирование роста двух других бактерий Psychrobacter sp. JB193 и Vibrio casei JB196. Штамм Staphylococcus equorum BC9 никак не отреагировал на ЛОС грибов-продуцентов. Из всех проверенных штаммов микробов Proteobacteria демонстрировала самые сильные реакции роста при воздействии со всеми пятью ЛОС грибов (1B).

ЛОС грибов также имело влияние и на сами грибы-продуценты. Так, грибы Vibrio продемонстрировали активный и стабильный рост: популяции выросли в 21.8 раза всего за 6 часов воздействия ЛОС из Galactomyces (1С).

Чтобы подтвердить, что эти взаимодействия устойчивы среди видов и штаммов Vibrio, была проведена количественная оценка способности близкородственных видов Vibrio, выделенных из других сыров (V. litoralis) и морской среды (V. fischeri), активнее расти при воздействии ЛОС грибов. В ходе этих наблюдений общее увеличение роста по всем видам / штаммам (1D) составило от 120 до 700% в зависимости от штамма реципиента.

Далее необходимо было определить, зависит ли стимуляция роста Vibrio от штамма гриба-продуцента. Штамм Vibrio casei JB196 подвергался воздействию штаммов Debaryomyces hansenii, различных видов Penicillium и штаммов Galactomyces geotrichum, выделенных из различных сырных корок. Эти грибы обычно встречаются вместе с Vibrio и имеют хорошо изученные профили ЛОС, тогда как ЛОС Scopulariopsis и Fusarium никогда не измерялись на сыре. Все штаммы разных грибов вызывали рост Vibrio, отличие было лишь в степени роста и его активности (1Е). Это говорит о том, что широкий спектр грибов может вызывать рост, опосредованный ЛОС, независимо от генетического фона.

Ученые предполагают, что ЛОС обладают синергическим или аддитивным действием по отношению к другим нелетучим соединениям грибов.

Например, антибиотики ванкомицин и различные -лактамы проявляют повышенную антибактериальную активность в отношении некоторых грамотрицательных бактерий, когда их сначала обрабатывают ЛОС (а именно, эвгенолом C₁₀H₁₂O₂).

Проверить верность вышеуказанной гипотезы ученые решили посредством экспериментов, в которых проверялись прямые эффекты секреции от грибкового партнера и отдаленные ЛОС-опосредованные эффекты одного и того же грибкового партнера.

Любопытно, что во время роста разных штаммов грибов и Vibrio в одной лунке, не наблюдалось какого-либо заметного влияния. Отсутствие положительного эффекта роста при выращивании Vibrio в прямом контакте с грибами (при отсутствии дополнительных летучих органических соединений) может быть связано с сильной конкуренцией с грибковым партнером за ресурсы.

Если же грибки и бактерии Vibrio, расположенные в одной лунке, подвергались внешнему воздействию летучих органических соединений, наблюдался активный рост последних.

Это указывает на то, что прямые взаимодействия между грибами и бактериями были незначительными, а стимуляция роста Vibrio связана с летучими соединениями, а не нелетучими, секретируемыми в сырную среду.

Также было установлено, что ЛОС грибов изменяют состав бактериального сообщества, способствуя развитию вибрионов (бактерий Vibrio).

Было высказано предположение, что сильные парные реакции роста Vibrio при воздействии грибковых ЛОС будут иметь последствия для сборки многовидового бактериального сообщества, в пользу сообщества, в котором преобладают Proteobacteri. Чтобы проверить, могут ли летучие органические соединения грибов влиять на разнообразие микробиома сырной корки, способствуя росту протеобактерий, была проведена характеризация изменений в структурах синтетического бактериального сообщества в модели сырной корки. Если точнее, то проводились измерения относительной численности членов сообщества, подвергшихся воздействию Debaryomyces, Penicillium и Galactomyces.

Три основных вида бактерий (Staphylococcus equorum, Brevibacterium aurantiacum и Brachybacterium alimentarium) и один вид Proteobacteria (Vibrio) были засеяны на сырно-творожный агар в равных концентрациях и подвергнуты воздействию грибковых ЛОС с использованием того же сэндвич-подхода, что был описан выше (2А).


Изображение 2

Это экспериментальное сообщество представляет собой типичный состав поверхностного микробиома, который можно найти на поверхности сыра.

Сравнение контрольной группы (без ЛОС) и экспериментальных групп Debaryomyces, Penicillium и Galactomyces показало наличие существенного сдвига в структуре сообществ, когда сообщества, содержащие Vibrio, подвергаются воздействию грибковых ЛОС (2B).

Как и предполагалось, воздействие грибковых ЛОС изменило состав бактериальных сообществ по сравнению с контрольной группой (2C), причем воздействие Galactomyces привело к самому высокому относительному содержанию Vibrio во всех вариантах обработки (без ЛОС: 9.7 4.1%; Galactomyces: 94.3 5.1%; Debaryomyces: 81.6 11%; Penicillium: 82.8 10.3%; 2D).

Микробное сообщество с преобладающей популяцией вибринов сохраняло стабильное состояние даже спустя неделю после инкубации. Это говорит о том, что подобные изменения состава сообщества не являются временными.

На следующем этапе исследования была проведена оценка экспрессии генов бактерий-реципиентов.

Чтобы лучше понять молекулярные механизмы, лежащие в основе опосредованного ЛОС стимулирования роста бактерий, был проведен анализ последовательности РНК на популяциях Vibrio, подвергшихся в течение 3 дней воздействию грибковых продуцентов ЛОС.


Изображение 3

Воздействие грибковых ЛОС вызвало сдвиг в глобальной экспрессии генов Vibrio с разницей между контрольной и опытной группами в 159 экспрессируемых генов (3A). Воздействие мицелиального гриба Penicillium привело к наибольшей перестройке глобального транскриптома Vibrio (3В). Из них 54 гена имели более высокий уровень экспрессии, а 87 генов имели более низкий уровень экспрессии в присутствии ЛОС.

Наиболее сильным паттерном дифференциально экспрессируемых генов при всех воздействиях грибковых ЛОС является повышенная экспрессия генов, участвующих в глиоксилатном шунте (3C и 3D). Этот шунт кодирует продукцию малатсинтазы G (aceB) и изоцитратлиазы (aceA). Это изменение в цикле трикарбоновых кислот позволяет клеткам использовать простые углеродные соединения (ацетат и другие жирные кислоты) в качестве источников углерода, когда более сложные источники (например, глюкоза) недоступны.

Анализ показал, что именно гены, кодирующие изоцитратлиазу и малатсинтазу G, были наиболее дифференциально экспрессируемыми генами в случае воздействия ЛОС (4-кратное и 11-кратное изменение соответственно).

Кроме того, ацетил-КоА-синтаза (acs), играющая важную роль в ацетатном переключении / активации шунта, увеличилась в среднем в 4 раза при воздействии (максимальное увеличение в 7.8 раза было при воздействии Penicillium; 3E).

Другие дифференциально экспрессируемые гены, которые активируются при воздействии ЛОС, включают гены, связанные с метаболизмом углеводов и дыханием (9 генов), метаболизмом азота (5 генов) и мембранным транспортом (4 гена), а также гены, участвующие в метаболизме витаминов (3 гена). Это указывает на то, что воздействие грибковых летучих органических соединений изменяет поступление питательных веществ и витаминов, доступных для Vibrio.

Однако были и гены, которые подавлялись ввиду воздействия ЛОС грибков. К ним относятся шесть генов, участвующих в плазмидах IncF, которые могут автономно реплицироваться и выполнять самые разные функции (устойчивость к антибиотикам, образование биопленок у Pseudomonas sp. и E. coli и т.д.).

Гены, участвующие в сборе железа (5 генов), метаболизме аминокислот и белков (5 генов), наряду с генами метаболизма калия и фосфора (3 гена), также были значительно подавлены (3B).

Суммарно эти результаты однозначно подтверждают, что ЛОС грибов имеет сильное влияние на метаболические гены бактерий.

Как мы уже поняли, ЛОС грибов сильно влияют на рост бактерий Vibrio. Однако остается загадкой, какие механизмы протекают в этом случае и какие должны быть концентрации участвующих соединений.

Ученые предположили, что ЛОС можно использовать в качестве субстратов, которые попадают в глиоксилатный шунт на уровне ацетил-КоА в качестве единственного источника углерода. Такие субстраты могут включать жирные кислоты, спирты и сложные эфиры (часто продукты метаболизма грибов), а также углеводороды и метилированные соединения.

Чтобы определить, могут ли определенные ЛОС, продуцируемые грибами из сырной корки, опосредовать взаимодействия, наблюдаемые выше, сначала было проверено влияние коммерчески доступной уксусной кислоты на рост Vibrio.

Уксусная кислота представляет собой низкомолекулярную короткоцепочечную жирную кислоту, способную диффундировать через клеточную мембрану Vibrio с образованием ацетил-КоА. Сложные эфиры и жирные кислоты, такие как уксусная кислота, широко обнаруживаются в сырах со зрелой поверхностью и часто вырабатываются в высоких концентрациях дрожжами и нитчатыми грибами. В то время как другие соединения могут использоваться в глиоксилатном шунте, уксусная кислота может напрямую активировать глиоксилатный шунт, поэтому она и была выбрана для исследования.

Биоактивность уксусной кислоты проверяли, используя вариант сэндвич-анализа ЛОС, используемого ранее. Определенная концентрация уксусной кислоты была добавлена на фильтр-бумагу в лунке, противоположную Vibrio, а не грибам-продуцентам (4A).

Клетки подвергали действию одного соединения в пяти различных концентрациях в диапазоне от 0.1 до 1000 частей на миллион, что находится в пределах диапазона ранее описанных концентраций для различных грибов.

Результаты показали, что воздействие уксусной кислоты увеличивало рост Vibrio (4B).


Изображение 4

Это соединение вызывало реакцию роста на уровне, аналогичном общему росту, индуцированному смесью ЛОС грибов. Также важную роль играла и концентрация. При 0.1-100 частей на миллион уксусная кислота влияла на рост Vibrio, но при концентрации свыше 1000 такого эффекта практически не было.

Ученые отмечают, что выработка кислоты может влиять на уровень pH и токсичность, которые могут тем или иным образом влиять на рост бактерий. Для проверки этой теории были проведены измерения рН среды, где росли бактерии из контрольной группы, и среды, где бактерии подвергались воздействию ЛОС грибов. Однако анализ данных показал, что реакция роста бактерий никак не связана с уровнем рН.

Уксусная кислота также имела значительное влияние на состав микробного сообщества. Тогда как в контрольной группе было примерно 19% вибрионов, в группе, подвергшейся воздействию кислоты, этот показатель вырос практически до 100% (4С). Это говорит о том, что уксусная кислота и другие ЛОС влияют на рост разных бактерий в рамках одного микробиома по-разному. В данном случае рост и увеличение численности Vibrio и снижение численности других бактерий.

Следовательно, уксусная кислота это ЛОС, которое может индуцировать шунт глиоксилата и стимулировать рост вибрионов. Однако необходимо установить, производят ли грибы это соединение.

Чтобы выяснить это, ученые проанализировали ЛОС, производимый штаммом Galactomyces geotrichum 242A, штаммом Debaryomyces hansenii 135B и Penicillium sp. штамм 12.

Анализ показал, что вырабатываемой уксусной кислоты крайне мало, ее уровень практически сопоставим с фоновым. Однако вырабатывалось достаточно много других эфиров, содержащих ацетат: масляная кислота, амилацетат, гептилацетат и 3Z-гексенилацетат.

Далее было проверено, может ли какой-то из этих соединений влиять на рост бактерий и их популяцию (4A). Через 3 дня популяции Vibrio, подвергшиеся воздействию гептилацетата и метилизобутриата в концентрациях 0.1 частей на миллион, увеличились в 81.5 и 163 раза соответственно (4B).

Эти эксперименты демонстрируют, что ацетатсодержащие соединения, продуцируемые грибами сырной корки, могут вызывать реакцию роста у Vibrio и могут изменять состав бактериального сообщества сырной корки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Созревание сыра и формирование его вкуса напрямую связано с микробиомом, обитающим на его поверхностях. В данном труде ученые установили, что некоторые грибы влияют на рост бактерий. Учитывая, что последние отвечают за вкусовые и ароматические характеристики сыра, этот процесс нельзя назвать малозначимым.

По мнению ученых, их труд позволяет лучше понимать механизмы взаимодействия между микроскопическими организмами не только внутри одной видовой группы, но и между разными группами. Кроме того, полученные знания могут пригодиться производителям сыров, ведь меняя концентрацию того или иного летучего органического соединения, они смогут производить совершенно уникальные с точки зрения гастрономии сыры.

В том, что наука влияет на пищевую промышленность, нет ничего удивительного, ибо это происходит уже не первую сотню лет. Однако подобные исследования все же удивляют своей креативностью, уж простите за такой термин. Но, какой бы смешной на первый взгляд ни была тема исследования, его суть имеет гораздо больше глубины. Чем лучше мы понимаем процессы, протекающие в микробиоме, тем больше у нас будет возможностей на них влиять. Бактерии и грибы, как мы знаем, часто мелькают в исследованиях медицинского характера, в трудах по переработке пластика, им даже нашлось место в космонавтике и астрономии. Посему, вполне логично, что понимание мира бактерий и грибков влияет на развитие нашего.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

В мире людей существует немало страхов, некоторые их которых перерастают в самые настоящие фобии: арахнофобия (пауки), акрофобия (высота), аквафобия (вода), коулрофобия (клоуны), офидиофобия (змеи) и т.д. Многие люди, даже не имея офидиофобии, относятся к змеям с призрением и недоверием. Змей часто отожествляют с хитростью, подлостью, коварством и прочими малоприятными качествами, которые по иронии им совершенно неприсущи, в отличие от самих людей. С другой стороны змеи часто символизируют мудрость, бессмертие, знания. Одними из самых узнаваемых символов, в которых присутствует змея, являются сосуд Гигиеи (символ фармации) и посох Асклепия (символ медицины). Для многих самой примечательной особенностью некоторых змей является их яд, структура которого может быть невероятна. Ученые из Клемсонского университета (США) выяснили, что структура яда некоторых змей зависит от того, насколько эволюционно далека друг от друга добыча. Как гастрономические предпочтения змей влияют на их яд, чей яд сильнее, и как полученные знания можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Многие виды на нашей планете связаны друг с другом. Это вполне логично, ибо есть хищники, поедающие добычу, есть паразиты, не способные жить без носителя, есть симбиотические существа, получающие выгоду от совместного проживания с другими видами. Связь проявляется по-разному, но она одинаково играет важную роль в развитии каждого из участников этой связи. Об этом говорил еще Дарвин, уделяющий внимание в своих трудах корреляции между эволюцией признаков и взаимодействиями видов.

Однако связь не формируется сразу, на это требуется уйма времени, в течение которого происходит процесс естественного отбора. Ученые приводят в пример связь носителя и паразитов. Носитель в ходе эволюции может развить уникальную для каждого вида паразита защиту или же универсальную сразу от нескольких видов паразитов. В таком случае необходимо понять, важно ли количество или все же характеристики взаимодействующих видов.

Сложные черты того или иного вида определяются множеством компонентов, вносящих вклад в окончательный функциональный фенотип, который формируется в зависимости от количества информации в геноме, определенной данными компонентами. Молекулярные признаки, участвующие в антагонистических взаимодействиях, проявляются как модели для связывания сложности признака с разнообразием видовых сообществ, поскольку их сложность может быть точно определена количественно числом и разнообразием уникальных компонентов. Это, по словам ученых, позволяет использовать меры разнообразия, такие как H-индекс Шеннона*, для суммирования сложности той или иной черты вида.

Индекс (или энтропия) Шеннона* был предложен Клодом Шенноном в 1948 году для количественной оценки энтропии в строках текста. Суть модели состоит в том, что чем больше разных букв и чем больше их пропорциональное количество в интересующей строке, тем труднее правильно предсказать, какая буква будет следующей в строке. Энтропия Шеннона количественно определяет неопределенность (энтропию), связанную с этим предсказанием.

Одним из ярчайших примеров взаимодействия видов является использование одним их низ яда для защиты/нападения. Яд нарушает гомеостатические физиологические процессы, быстро делая добычу неспособной сопротивляться либо нападающего неспособным продолжить преследование. Это взаимодействие позволяет понять силы, опосредующие сложность признаков во взаимодействиях хищник-жертва.

Что касается белковых смесей, сложность фенотипа яда может быть определена количественно с помощью хроматографии*.

Хроматография* метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения их физико-химических свойств. Суть метода заключается в распределении вещества между двумя фазами: неподвижная (твердая или жидкая) и подвижная (газовая или жидкая).

Кроме того, транскриптом ядовитой железы напрямую связывает протеом (совокупность белков) яда с генотипом вида. То есть транскриптом является вторым независимым методом определения сложности яда за счет оценки сложности геномной последовательности.

Функциональные исследования змеиного яда выявили несколько примеров разнообразия и специфичности добычи, вызванных эволюционными процессами. К примеру, из-за того, что морские змеи вида Aipysurus eydouxii начали питаться практически исключительно икрой рыб, их яд стал намного слабее, а также были выявлены нулевые и негативные мутации в генах яда.

Любопытно и то, что паралоги* высокоэкспрессированных генов яда одной и той же змеи могут обладать таксономической специфичностью.

Паралоги* последовательности, которые присутствуют в одном и том же геноме, а возникают в эволюции путем дупликации первичной последовательности.

К примеру, яд змей Spilotes sulphureus одинаково смертелен для млекопитающих или ящериц, а яд Bothrops neuwiedi по-разному выполняет прокоагулянтную функцию (свертывание крови) в крови любого из представителей млекопитающих.

В данном труде особое внимание было уделено гадюковым змеям, так как их гастрономические предпочтения были хорошо изучены, что позволяет детально оценить различия в рационе питания и влияние этого фактора на структуру яда.

Большинство гадюк питаются в основном мелкими позвоночными, при этом диета их предков, вероятно, состояла из млекопитающих, ящериц и лягушек. Гремучие змеи (Crotalus и Sistrurus), медноголовые и мокассиновые (Agkistrodon) составляют крупнейшую кладу переднезубых ядовитых змей в Северной Америке, насчитывающую от 45 до 64 описанных видов. Питание этих видов также обладает широким разнообразием. К примеру, Crotalus horridus питается исключительно млекопитающими, а вот Agkistrodon piscivorus conanti не брезгует рыбой, лягушками, млекопитающими, ящерицами, птицами, черепахами и даже змеями.

Яды этих родов змей состоят из 1070 белков из 1525 различных семейств генов. Из этого и происходит разнообразие действия яда: нейротоксическое (нарушение периферической нервной системы), коагулопатическое (нарушение свертывания крови), геморрагическое (образование кровяных сгустков) или миотоксическое (предотвращение релаксации мышц после сокращения) и т.д.

Дабы проверить, какие теории о связи между питанием змей и структурой их яда все же верны, а какие нет, ученые проанализировали рацион змей и измерили протеомную сложность яда и транскриптомную сложность ядовитых желез. Образцы яда и желез были получены от змей Agkistrodon, Crotalus и Sistrurus. В результате была сформирована самая крупная база данных протеомов и транскриптомов ядовитых желез для этой группы на сегодняшний день (68 линий). Была также создана филогения* из 125 неядерных генетических локусов* из транскриптомов, после чего был проведен сопоставительный анализ с рационом змей.

Филогения* результат филогенетического анализа, т.е. процесса выявления и объяснения эволюционных взаимоотношений между видами.

Локус* местоположение определенного гена на генетической или цитогенетической карте хромосомы.

Результаты исследования

Изображение 1

В ходе исследования была получена филогения посредством методов видового древа (схема выше) и конкатенации* с использованием последовательностей от 169 особей, представляющих 46 видов Agkistrodon, Crotalus и Sistrurus.

Конкатенация* объединение объектов линейной структуры в одну (например, слова микро и мир дают микромир). В генетике подход, основанный на конкатенации, представляет собой подход полного доказательства, который объединяет все сопоставления генов в суперматрицу.

Чтобы получить максимальное разнообразие в пределах исследуемой основной клады, выборка была расширена. В нее дополнительно были включены филогенетически отдельные подвиды и линии с описанным филогенетическим разнообразием, что привело к окончательному набору данных о 9 линиях Agkistrodon, 5 линиях Sistrurus и 54 линиях Crotalus.

Полученные деревья были использованы для филогенетического сравнительного анализа взаимосвязи между разнообразием рациона и сложностью яда.

Первый анализ, во время которого оценивалась связь между транскриптомной и протеомной сложностью яда, показал, что между выраженным генотипом и сложностью фенотипа в ядах змей присутствует сильная связь (диаграмма на изображении 1).

Ученые отмечают, что в ходе высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) похожие белки могут элюироваться (извлекаться) вместе в виде одного пика на хроматограммах, что потенциально недооценивает сложность фенотипа на уровне отдельных компонентов. Однако применение меры транскриптомной сложности позволяет количественно определять различия между белками, в то время как равный вес всех уникальных последовательностей независимо от длины транскрипта обеспечивает дополнительный акцент на общем разнообразии последовательностей, а не на организации в транскрипты.

Транскриптомная сложность, лежащая в основе ядов, варьировалась в 10 раз между линиями. При этом самый сложный транскриптом был у змей вида Sistrurus tergeminus edwardsii 45191 k-мер (последовательностей из k нуклеотидов); самый же простой транскриптом принадлежал виду Crotalus durissus terrificus 4723 k-мер.

Протеомная сложность яда также значительно различалась: наиболее сложная у Crotalus lepidus lepidus примерно 32 пика белка на хроматограммах; самая простая у Crotalus tigris в среднем 8 пиков.

Реконструкции состояния предков указывают на промежуточный белок (22.3 пика) и транскриптомную сложность (28751 k-мер) у общего предка агкистродонов и гремучих змей. Из этого можно сделать вывод, что с течением времени произошла эволюция как в сторону более простых, так и более сложных ядов.

Разнообразие у змей проявляется не только в аспекте видов, но и в аспекте потребляемой пищи (схема ниже), т.е. видового разнообразия добычи, которое варьировалось от 2.9 до 15 (среднее 6.7) видов и от 118 до 731 (среднее значение = 365) MPD (от million years of divergence, т.е. миллионов лет расхождения*).

Дивергенция (расхождение)* расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в ходе эволюции.

Изображение 2

Наблюдаемые вариации протеомной и транскриптомной сложности яда лучше всего моделировались с помощью MPD добычи по всем альтернативным филогенетическим деревьям, используемым для представления этой взаимосвязи. Кроме того, модели MPD значительно лучше соответствовали данным по сравнению с нулевыми филогенетическими обобщенными моделями наименьших квадратов. Другими словами, используемая модель по MPD показала, что эволюция сама по себе не может объяснить вариативность ядов у змей.

Наряду с положительной корреляцией между сложностью яда и MPD (график ниже), предложенная модель подкрепляет теорию филогенетического разнообразия для эволюции более сложных признаков яда у змей.


Изображение 3

Более детальный анализ показал положительную корреляцию между сложностью яда и MPD добычи, однако не было выявлено связи между видовым разнообразием и сложностью белков яда. Подобная ситуация наблюдалась и при анализе MPD и транскриптомной сложности: корреляция между ними была, но значимой связи между видовым разнообразием и транскриптомной сложностью яда не было.

Далее была выполнена оценка взаимосвязи между транскриптомной сложностью яда и филогенетическим разнообразием добычи на уровне семейства генов для четырех крупнейших семейств генов среди гадюк (SVMP, SVSP, PLA2 и CTL). Значимые положительные корреляции между сложностью транскриптомов и MPD добычи были обнаружены для семейства генов SVMP, SVSP и PLA2 (график ниже). Семейство генов CTL, однако, не показало значимой связи между MPD и сложностью транскриптомики.


Изображение 4

Данный анализ показывает эволюционный ответ на отбор из более филогенетически разнообразной добычи, происходящий через несколько семейств генов.

В заключение была выполнена проверка того, отражает ли филогенетическое разнообразие добычи функциональное разнообразие яда лучше, чем обычное видовое разнообразие.

Анализ аминокислотных последовательностей яда разных змей показал, что MPD добычи в большей степени отражает разнообразие белковых последовательностей в функционально важных элементах яда, чем простое разнообразие видов добычи. Кроме того, разнообразие аминокислотных последовательностей в конкретных аспектах яда может успешно предсказать его сложность.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Эволюцию сложно назвать быстрым и легким процессом, о каком бы виде не шла речь. Каждый живой организм адаптируется к ряду факторов, в числе которых присутствует и окружающая среда, и ее обитатели. Подавляющее большинство видов так или иначе связано друг с другом. Одни являются хищниками, другие добычей, одни паразитами, другие носителями и т.д. Даже обычное проживание на одной и той же территории видов, которые не контактируют напрямую, вносит свой вклад в их эволюционное развитие.

В данном труде ученые установили, что разнообразие рациона змей коррелирует со сложностью их яда. Другими словами, чем разнообразнее гастрономические аппетиты змеи, тем сложнее будет ее яд. На первый взгляд это кажется весьма очевидным выводом. Далеко не все яды одинаково действуют на разных существ. Следовательно, если есть желание лопать всех подряд, яд должен быть сложным и, следовательно, универсально смертоносным.

Несмотря на простоту вопроса, ответ оказался гораздо сложнее и затронул миллионы лет эволюции. При этом было установлено, что среди четырех семейств генов лишь троим можно приписывать связь видового разнообразия добычи и сложности яда. Четвертое семейство (CTL, т.е. лектины типа С) пошли по другому пути. В дальнейшем ученые намерены выяснить, почему имело место именно такое генное распределение обязанностей.

Важность этого исследования заключается в том, что змеиный яд крайне важный элемент многих препаратов, нацеленных на лечение заболеваний сердца, высокого давления, тромбов и т.д. Змей очень много (порядка 3631 видов по данным 2017 года), среди которых разнообразие ядов еще больше. Чем лучше мы понимаем структуру змеиного яд, тем лучше мы сможем его использовать в фармации.


Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?