Археи любят соленую и горячую среду
В некоторых регионах нашей планеты очень жарко, очень темно или очень холодно, есть места, где много соли, есть – с повышенной кислотностью или, наоборот, слишком щелочные. В таких экстремальных условиях живут «экстремофилы». Они выдерживают температуру воды до 150 °С на большой глубине под высоким давлением, переносят воздействие сильных кислот при pH =2 и могут пребывать в сильнощелочной среде при pH =12 или в условиях высокой концентрации соли в соляных озерах. Даже в условиях вечной мерзлоты и в образцах, полученных при бурении глубоких слоев почвы, – там, где никто не мог бы ожидать наличие живых организмов, – можно обнаружить живые экстремофилы. Естественно было бы предполагать, что в таких условиях жизнь невозможна. Вопрос о границе между жизнью и смертью к экстремофилам не относится, как это обсуждалось применительно к вирусам, поскольку эти микроорганизмы действительно живые, способны к метаболизму в совершенно непредсказуемых условиях и используют необычные источники энергии: например, они забирают свободные электроны из электродов и используют их для окислительно-восстановительных реакций, примерно как дети-сладкоежки лижут мороженое. А еще существуют соляные кристаллы, обладающие гигроскопичностью, которые забирают влагу из воздуха, из тумана в регионах планеты, где 200 млн лет не было дождей, например в пустыне Атакама в Южной Америке. И тем не менее клетки живут внутри соляных кристаллов в маленьких «жидких включениях», мелких капельках. Некоторые из этих архей, представленных в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке, «оживили» после 34 000 лет. Это побудило мечтателей, кинопродюсеров и специалистов НАСА предложить – и даже надеяться, – что на Марсе и на других планетах может быть жизнь. И действительно, в породе марсианских гор обнаружили жидкие включения.
Археи больше не носят свое историческое название «архейная бактерия». Они называются просто археями, поскольку, как было показано, археи и бактерии сильно отличаются друг от друга. Тем не менее их определили как отдельно взятый домен живого, независимый от бактерий и эукариотов. Несмотря на это, они имеют некоторое сходство с бактериями – по размеру, способу репликации, способности становиться хозяином вирусов, используя механизмы противовирусной защиты, аналогичные применяемым бактериями, и содержанию обратных транскриптаз. Название «археи» предполагает, что это, возможно, самая древняя форма жизни, отправная точка развития живых клеток. В настоящее время на древе жизни они находятся где-то между бактериями и эукариотами и родственны и тем, и другим. Когда в 1977 г. Карл Везе открыл археи, различия между доменами жизни еще не были четко определены. Везе в качестве образца для сравнения выбрал РНК-рибосомы и открыл различия между последовательностями, что привело к разделению форм жизни на три царства. Последовательности специфичны для всех типов бактерий и в настоящее время используются для идентификации миллионов различных бактерий. Методика оказалась на удивление надежной. ( .) В начале 2015 г. группа датских исследователей использовала гораздо более совершенный способ анализа секвенирования архей и на древе жизни поместила археи ближе к эукариотам: не ниже, ближе к основанию, а выше, отнеся на большее расстояние от источника жизни. Они обнаружили целый ряд генов, похожих на гены эукариотов, – больше, чем ожидалось. Эти археи называются по названию глубоководного гидротермального источника Локи, получившего имя в честь скандинавского бога. Поэтому споры о том, что старше, продолжаются.
Археи отличаются высокой степенью выживаемости. Экстремофилы чрезвычайно хорошо приспособлены для существования в специфических условиях, но при этом они удивительно негибкие. Вероятно, им потребовалось много времени, чтобы медленно адаптироваться к новым условиям жизни, поскольку им зачастую приходится вырабатывать новые пути метаболизма, многие из которых высокоспециализированы и до сих пор неизвестны. Вследствие консервативного образа жизни археи довольно сложно транспортировать и выращивать в лабораторных условиях. Таким образом, как это ни парадоксально, теплолюбивые археи погибают во время транспортировки при высокой температуре, поскольку переносят лишь незначительные изменения температуры. Для хранения других отказавшихся от кислорода архей предпочтительным оказалось сочетание низкой температуры и наличия кислорода. В «холодном» (4 °С) помещении они сохраняются более 10 лет. В связи с этим возникает вопрос: не могут ли подобные ненормальные лабораторные условия привести к некорректным результатам, не отражающим реальную жизнь этих микроорганизмов? Может оказаться полезным анализ их микробиомов, для чего непосредственно в лаборатории – в этом случае нет необходимости в транспортировке или каких-либо манипуляциях в лаборатории – проводится секвенирование всех последовательностей всех популяций архей. Археи столь же распространены, как и бактерии, но в силу вышеупомянутых причин гораздо меньше известны и изучены.
Ушедший в мир иной немецкий исследователь Вольфрам Циллиг собирал археи в отдаленных уголках планеты – в Исландии, славящейся своими гейзерами, и Йеллоустонском национальном парке, который является практически «окном внутрь Земли». Он даже спускался в кратеры вулканов. Собранные им образцы используются до сих пор. Сейас их изучает Карл Штеттер, который специализируется на паразитах таких архей. Археи являются прибежищем круглообразных паразитов, которые прикрепляются к поверхности и помогают археям выжить. Архея-хозяин называется , а мелкие паразиты, сопровождающие архей, – «карлики-наездники» или Я бы назвала их жокеями.
Могут ли эти «жокеи-паразиты» быть вирусом или даже гигантским вирусом? На мой взгляд, это возможно, хотя вполне может оказаться и досужим домыслом. В этом случае Штеттер должен был бы открыть гигантские вирусы! Возможно, ему стоит об этом задуматься. У бактерий, похоже, нет таких «жокеев», но нужно упомянуть о гидре и червях. А что можно сказать о нас?
У архей есть специальные мембраны, содержащие молекулы эфира, что дает им преимущество, обеспечивающее выживание в экстремальных условиях. Как правило, археи не являются болезнетворными. Им незнаком метаболизм наших клеток, и, возможно, именно поэтому они не причиняют нам вреда. Но, может быть, они коэволюционируют с нами очень длительное время, ведь это весьма древние микроорганизмы.
Давид Прангишвили, бывший студент Циллига, в настоящее время работает в Институте Пастера в Париже. Он изучает термофильные археи и их вирусы, которые предпочитают температуры выше 80 °С. Некоторые из них даже выживают при проведении стандартной лабораторной стерилизации, при которой, как мы полагаем, погибают все микроорганизмы. Но нам не о чем беспокоиться, поскольку они не болезнетворны. В настоящее время он выявил 24 семейства вирусов, которые демонстрируют такое многообразие форм и свойств, что их сложно классифицировать. Они совершенно непохожи на вирусы: один вирус – (ATV), состоит из утолщенной середины и двух хвостов-отростков с крючками на концах. Другие же вирусы на электронных микроснимках похожи на лимоны, веточки, спирали или бутылки. И если эти странные вирусы обитают в одинаковых средовых условиях, то даже в самых отдаленных уголках планеты они имеют похожие структуры. Это означает, что к формированию подобных структур должны привести особые условия среды. Принцип «форма определяется функцией», очевидно, справедлив в отношении всего, что создано природой, а не только в искусстве, архитектуре и дизайне.
Все археи и большинство их вирусов содержат двуспиральную ДНК, которая стабильнее РНК. Возможно, экстремофилы не содержат РНК-вирусов, которые могут оказаться слишком лабильными при высоких температурах. В археях обнаруживают обратную транскриптазу, отвечающую за транскрипцию РНК в ДНК, но для чего она там? Я полагаю, она производится ретротранспозонами, или «прыгающими» генами, для изменения ДНК путем «копировать и вставить». Некоторые вирусные последовательности в вирусах архей имеют отдаленное родство с современными герпесвирусами независимо от того, что означает это родство. Недавно была выявлена неизвестная структура вируса, в которой белок спиралеобразно оборачивается вокруг ДНК, и ДНК оказывается менее плотно упакованной – вероятно, при высоких температурах это является преимуществом.
Кроме того, существуют вирусы архей, имеющие икосаэдральные головки и хвосты, которые напоминают фаги бактерий. Они встречаются в озерах с высокой концентрацией соли, но не в горячих источниках. Как и почему соль способствует образованию таких структур, на самом деле неизвестно. Таким образом, разные типы архей являются прибежищем для разных типов фагов.
Археи не всегда существуют в экстремальных условиях. Их находят и в кале человека, и жвачных животных, например коров.
У архей довольно сильная иммунная система – противовирусная защитная система, которая регулирует литический жизненный цикл вирусов. Кроме того, у них есть защитная система CRISPR/Cas9, направленная против микроорганизмов, поражающих ДНК, в частности фагов. Все это очень напоминает бактерии и их фаги.
Смогли бы археи и их вирусы столь же успешно приспособиться к новым экстремальным условиям, которые могут появиться в результате катастроф? Все живое может приспособиться к экстремальным условиям. Именно этому нас учат археи. Действительно ли они выживают лучше всех? Возможно, это зависит от того, насколько быстро происходят изменения. А может быть, и нет; возможно, они слишком медленно адаптируются! Для выживания в новых экстремальных условиях требуется формирование новых путей метаболизма, на что необходимо время. Может ли человек научиться у архей приспосабливаться к изменениям окружающей среды? На адаптацию потребовалось бы много времени. Выживание – процесс небыстрый, по крайней мере такого не было в прошлом, насколько мне известно. Таким образом, человек скорее вымер бы, чем стал экстремофилом!
Многие вирусы архей имеют неизвестные гены. Откуда они взялись? Вероятно, не из клеток, где их невозможно идентифицировать. Спектр генов вирусов гораздо шире, чем всех клеток, вместе взятых. Вирусы быстро производят новые гены, так же как и ДНК-вирусы, в силу их подверженной ошибкам репликации. Вирусы являются двигателями эволюции. Они изобретательны и пробуют разные возможности, предоставляя новую информацию клеткам, а не наоборот. Так как же, помогут ли нам вирусы приобрести термофильные свойства и обеспечить себе более продолжительное выживание? Возможно, в прошлом они уже это сделали.
