ИСТИНА

Антропогенное влияние на биологические системы приводит к разрастанию популяций фототрофных микроорганизмов в водных экосистемах. Вредоносность массового развития цианобактерий заключается в продуцировании большого числа опасных для здоровья людей и животных сильнодействующих токсинов (цианотоксинов, микроцистинов, нодуляринов, нейротоксинов), снижении качества воды, потере полезных для человека свойств водной экосистемы. Каковы функции этих токсинов в микробных популяциях? Каким образом они воздействуют на метаболизм и развитие самой цианобактериальной клетки? Могут ли они являться сигнальными молекулами? Мы инициировали исследование механизмов воздействия нейротоксина ВМАА (бета-N-метиламин-L-аланина) на клетки цианобактерий с использованием молекулярно-генетических, микробиологических и биоинформационных методов. Нейротоксичная небелковая аминокислота ВМАА, образуемая цианобактериями, связывается с глутаматными рецепторами в мозге человека и животных, приводя к тяжелым нейро-дегенеративным заболеваниям. Подобные рецепторы обнаружены у растений и цианобактерий. С целью изучения роли ВМАА в метаболизме цианобактерий мы использовали модельный штамм нитчатой азотфиксирующей цианобактерии Nostoc sp. PCC 7120. Проведенные до сих пор исследования указывают на то, что концентрации ВМАА, образуемой цианобактериями как в природе, так и в условиях лабораторной культуры, варьируют от не обнаруживаемых до микромолярных [Cox et al., 2005, Jonasson et al,2010, Kruger et al., 2010]. Продукция ВМАА может индуцироваться/усиливаться в специфических условиях, таких как голодание по азоту [Downing et al., 2011]. В низких концентрациях ВМАА, по-видимому, не губителен для цианобактерий и токсичность становится очевидной тогда, когда достигаются микромолярные клеточные концентрации этой аминокислоты. Это может случиться в природных «цветущих» скоплениях цианобактерий, когда увеличивается плотность клеток в популяции, а, следовательно, и концентрация ВМАА продолжает расти. Когда же достигается пороговый уровень концентрации этой аминокислоты, может инициироваться каскад событий (в частности, образование реактивных форм кислорода), которые в свою очередь могут дать сигнал для включения процесса запрограммированной клеточной смерти (апоптоза), ведущего к лизису клеток и исчезновению больших скоплений цианобактерий. Вовлечение апоптоза в процесс уничтожения цианобактериальных матов предполагается в ряде работ [Berman-Frank et al., 2004, Franklin et al., 2006]. Биоинформационные исследования продемонстрировали присутствие метакаспаз в геномах цианобактерий, образующих скопления на водных поверхностях [Jiang et al., 2010]. В настоящее время исследователи как в Европе, так и в Америке, основное внимание уделяют экологическому аспекту накопления этого токсина в цепях питания и медицинскому аспекту воздействия ВМАА на нервную систему позвоночных. Современные знания о том, как, почему и при воздействии каких абиотических и биотических факторов синтезируется ВМАА, чрезвычайно скудны. Можно назвать пока только две работы исследователей из ЮАР, в которых были предприняты попытки изучения действия ВМАА на физиологию одноклеточных цианобактерий [Downing et al., 2011, Downing et al., 2012], и одну публикацию шведских исследователей, в которой они отмечают подавление активности нитрогеназы в нитчатой азотфиксирующей цианобактерии Nostoc sp. PCC 7120 при добавлении 50 мкМ ВМАА [Berntzon et al., 2013]. В ходе проведенного исследования с использованием методов флуоресцентной микроскопии нами впервые показано, что добавление экзогенного ВМАА приводит к ингибированию формирования гетероцист в голодающей по азоту культуре дикого типа цианобактерии Nostoc sp. PCC 7120. Следует отметить, что добавление ВМАА приводит к подавлению нитрогеназной реакции в уже сформированных гетероцистах цианобактерии, растущей в диазотрофных условиях. Оказалось, что в условиях роста на связанном азоте (нитрате и аммонии), в норме препятствующих образованию гетероцист, добавление ВМАА к клеткам цианобактерии, вызывает дерепрессию гетероцист (образование гетероцисто-подобных клеток). Но эти клетки не обладают нитрогеназной активностью. Таким образом, экзогенно добавленный ВМАА в низких концентрациях (20-100 мкМ) приводит к изменениям в процессе клеточной дифференцировки нитчатой цианобактерии Nostoc sp. PCC 7120. Планируются новые эксперименты с привлечением методов ТЕМ, протеомики и биохимии для дальнейшего изучения этого феномена. Исследования экспрессии генов, контролирующих клеточную дифференцировку и активность нитрогеназы, могут позволить приблизиться к пониманию регуляторного эффекта ВМАА на клеточные процессы азотфиксирующих цианобактерий. Работа поддержана грантом РФФИ № 14-04-00656.