Живые квадраты

Галоквадратов открыл английский ученый Энтони Уолсби в 1980 году. Он обнаружил их в соленых озерах Cинайского полуострова. Позже их нашли и во многих других жарких и солнечных местах. Галоквадраты причислены к царству архей, а не бактерий. Они способны жить в воде, насыщенной хлоридом натрия, пока не выпал в осадок хлорид магния. Культивировать эти микроорганизмы научились только в 2004 году. Нередко они снабжены жгутиками.

Чего только не бывает в природе! Казалось бы, чем ужаснее условия для биологической жизни, тем меньше обитателей должно быть в таких местах. Однако многочисленные микроорганизмы живут ив кипятке, ив глубинных слоях почвы, и в радиационных зонах реакторов — везде живут! Всегда найдется уклоняющийся вариант, опровергающий общую биологическую закономерность, который реализует предоставленные природой и эволюцией возможности. Обязательно проявятся новые роли РНК или — почему бы и нет? — найдется организм с лишним шейным позвонком, с тремя поясами конечностей…

Давно сказано: «Без воды и не туды, и не сюды». Так ведь и это неверно! Нашлись-таки микробы, практически не содержащие в своих клетках этой самой воды! Назвали их Haloquadratum и добавили в честь первооткрывателя — walsbyi.

Посмотрите на их фотографии анфас и в профиль (рис. 1–3). Размеры квадратных клеток от 2×2 до 20×20 микрон. Толщина — не более 200 нанометров. Такая форма — в прямом смысле этих слов визитная карточка Haloquadratum walsbyi. Некоторые авторы называют их «почтовые марки». Эти организмы доминируют в самых засоленных водоемах жарких зон Земли, дорастая в природных условиях до плотности 10⁷ клеток в миллилитре.

1. Так обычно выглядят клетки квадратумов. Хорошо видны многочисленные газовые вакуоли 2. Четыре клетки еще не разошлись после деления 3. При увеличении в 13 000 раз на продольном срезе квадратумов видны плотно упакованные внутриклеточные компоненты, вакуоли и включения. Выделен утолщенный участок недавно разделившейся кромки клетки

Видно, что эти клетки принципиально отличаются от обычных микробных кругленьких и пухленьких. Обычные клетки можно сравнить с надутым воздушным шариком или колбасой (рис. 4). Квадратумы, на мой взгляд, больше всего похожи на пустые наволочки для подушки. Точнее, на наволочки, которые лишь чуть-чуть наполнены пухом, — они совершенно плоские, «сдувшиеся».

4. Геометрические параметры клеток палочковидных бактерий (а), кокков (б) и квадратумов (в)

Так неужели галоквадратумы пустые? Разумеется, нет. Клеточные мембраны у них обычные — липидный бислой и внешний слой высокомолекулярных соединений, защищающих функциональные элементы мембраны. Поверхностные S-белки представлены 14 типами гликопротеинов. В дополнение к этому квадратумы придумали использовать в качестве защитного полимера очень длинный белок из 9159 аминокислотных остатков — он лежит на мембране снаружи и содержит в связанном виде в 20 раз больше воды, чем весит сам. (Этот способ сохранился и у многих клеток высших организмов. В частности, такие белки защищают от пересыхания клетки эпителия бронхов и глаз.)

У квадратумов есть вся молекулярная машинерия, необходимая для активного существования живой клетки. Есть ДНК, все типы РНК, рибосомы, множество ферментов, низкомолекулярные продукты метаболизма — всё как у всех. Только вот растворены эти компоненты цитоплазмы в минимальном количестве воды. Точнее — воды в клетках ровно столько, сколько может быть сорбировано на поверхностях перечисленных компонентов цитоплазмы, и не более, чем необходимо для протекания всех обычных биосинтетических реакций. Свободной воды практически нет, а значит, нет вещества, способного обеспечить клетке силы тургорного давления. Более того, высочайшее содержание в окружающей среде NaCl и MgCl₂ (с учетом высокой гигроскопичности Mg²⁺), да еще на солнце, должно вызывать отток свободной воды из клеток для выравнивания концентрации.

К настоящему времени обнаружены и достаточно детально исследованы многие виды микроорганизмов из самых разных систематических групп, способные существовать в условиях низкой активности воды (A_w). Напомню, что в чистой воде эта величина равна 1, в 25%-ном растворе хлорида натрия A_w=0,75, в насыщенном растворе MgCl₂ она еще ниже — 0,3. Считается, что нижний порог жизни составляет A_w=0,6. Дальше наступает стресс от обезвоживания клеточных структур, падают также содержание кислорода и растворимость фосфатных солей, что гибельно для клеток. Большинство галофильных организмов тратит на поддержание водного баланса значительную часть клеточной энергии. Квадратумы, похоже, решили отказаться от этих затрат и научились жить без воды. В таких сублетальных условиях внешней среды липидный бислой клеточной мембраны приобретает вид пустого мешка, заполненного клеточными структурами (рис. 3, 5 а). Именно внутриклеточные компоненты нарушают идеальную плоскую форму мембраны квадратумов — то рибосомы окажутся одна напротив другой, то газовые вакуоли, то включения полигидроксибутирата. Кстати, последние имеют форму чечевицы: округлые, но сплющенные с двух сторон мембранами, — тесно, однако.

5. Силы, действующие на клетки квадратумов, которые находятся в насыщенном растворе хлорида натрия (а), и обычные микробные клетки в чистой воде (б); a — атмосферное давление, c — давление поверхностного натяжения на клеточной стенке, s — давление поверхностного натяжения на стенке газовой вакуоли, t — тургорное давление, h — гидростатическое давление, зависящее от глубины, g — давление газа в вакуоли

И все же бывают в жизни клетки моменты, когда требуется напряжение всех внутренних сил и резервов, в данном случае водных. Это, например, формирование зоны будущей границы двух квадратных клеток, предшествующее делению. Для работы сложного репликативного комплекса и ферментов, синтезирующих мембранные структуры, требуются наиболее комфортные условия. После деления участки новых мембран легко узнаются по расширению, в котором некоторое время сосредоточена вся свободная вода (рис. 3).

Деления квадратумов тоже необычны - они происходят поочередно во взаимно перпендикулярных направлениях, но всегда перпендикулярно плоскости клетки, так что дочерние клетки лежат не друг над другом, а рядом (рис. 6). Понятно, что у обычных округлых клеток нет такого ограничения — они имеют множество плоскостей симметрии и делятся как хотят. Получающиеся многоклеточные структуры могут существовать некоторое время. Если смотреть на них в профиль, они «прячутся» — выглядят как цепочка тонких палочек (рис. 3). Из-за таких особенностей деления, кстати, клеткам трудно формировать отдельные колонии на твердых агаризованных средах. Один исследователь даже предположил, что агар токсичен для квадратумов.

6. Схема деления клеток кокков (а) и квадратумов (б). Первые делятся в пространстве, а вторые — в плоскости. Стрелки показывают направление деления

Еще бы, им требуется два месяца для формирования колонии! Но дело, скорее всего, опять-таки в геометрии клеток. Делящиеся клетки кишечной палочки легко скользят по поверхности и почти без усилий переходят в верхние слои (об этом можно посмотреть прекрасный ролик на «YouTubе» — его нетрудно найти по ключевым словам «bacteria growth»). Квадратумам гораздо сложнее преодолевать поверхностное натяжение влажной агаризованной среды, к тому же, напомню, они не могут использовать силы тургора для расталкивания соседей и перемещения в пространстве.

Особенности деления и отсутствие цитоплазмы позволяют клеткам сохранять форму, действительно очень близкую к правильным квадратам. Вершины углов клеток имеют минимальный радиус кривизны, поскольку он соответствует половине толщины самой клетки и нет внутренних сил и напряжений, способных изменить форму эластичного липидного бислоя мембраны (рис. 4). Но в условиях пониженного осмотического давления среды — при значительном уменьшении концентрации солей — квадратумы, как и все галофилы, приобретают округлую форму. Поэтому можно предположить, что противоположные внутренние стороны мембраны у них не сшиты.

С первых исследований квадратумов известно, что они способны синтезировать фоточувствительные белки, содержащие ретиналь и подобные бактериородопсину галобактерии Halobacterium salinarum. Такие белки пронизывают мембрану и на свету выкачивают из клетки ионы водорода. Формируется протонный градиент, который обеспечивает энергией фермент АТФ-синтетазу, создающий запас молекул АТФ — «энергетической валюты» клетки. Способность использовать энергию солнечного света весьма полезна для организма, живущего в условиях крайне низкой растворимости кислорода. Также кажется весьма остроумным, что большинство газовых вакуолей находятся на периферии клеток (рис. 1) — для максимальной инсоляции в природных водоемах. (Клетка, подобно надувному матрасу, лежит на поверхности воды горизонтально и получает больше солнечного света.)

Закончить рассказ об очередном чуде природы хочется словами поэта: «Нам не дано предугадать, как слово наше отзовется...» Когда элементарные единицы живого стали называть клетками, вряд ли кто-то мог представить, что некоторые из них действительно похожи на клетки в тетради школьника.

Доктор биологических наук
Д.А. Складнев,
ФГУП ГосНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов