Сенсорные системы цианобактерий

Когда появились цианобактерии? Каковы их основные функции? Как цианобактерии реагируют на стрессовые условия внешней среды? Об этом рассказывает доктор биологических наук Дмитрий Лось.

Если взять современные цианобактерии и отпечатки древних цианобактерий, они ничем не будут друг от друга отличаться. Мы можем сказать, что цианобактерии являются одними из древнейших организмов на Земле. И именно цианобактериям мы обязаны тем, что жизнь на нашей Земле такая, какая есть, в том числе и мы с вами. Это все произошло благодаря изобретению этими бактериями процесса фотосинтеза и насыщению нашей атмосферы кислородом. Древние цианобактерии существуют до сих пор. Дело в том, что, когда Земля образовалась, было очень много углекислого газа и очень мало кислорода. Цианобактерии этот процесс повернули в обратную сторону: теперь у нас много кислорода и мало углекислого газа.

Цианобактерии, согласно теории симбиоза, явились предшественниками хлоропластов высших растений. Это органеллы в высших растениях, которые поглощают CO2 и выдают кислород и питательные вещества. Многие думают, что мы сейчас дышим кислородом, который вырабатывают растения, например тропические или наши сибирские леса, тайга. На самом деле это не так. 50% кислорода нам дают леса, и 50% мы получаем из океана от фитопланктона, и в этом фитопланктоне львиная доля принадлежит цианобактериям. То же самое с утилизацией углекислого газа. Это проблема сейчас интересная, важная. И то, что поглощают леса, — это только 50% от того, что поглощается в принципе на планете Земля. Остальные 50% поглощаются тем же фитопланктоном, даже, возможно, более — в районе 50-60%.

В 2000 году обнаружили, что в клетках модельных цианобактерий сенсором, который воспринимает низкую температуру, оказался белок, мембранная локализация. Это так называемая гистидинкиназа. Гистидинкиназы — это белки, которые относятся к двухкомпонентным системам регуляции. Это очень широко распространенная система регуляции у бактерий. В чем заключается принцип работы этих двухкомпонентных систем? Гистидинкиназа — это белок, который может фосфорилировать либо сам себя, либо другие белки. Присоединение фосфата — это химический способ указать клетке, что ей надо встрепенуться, заводиться, что-то делать. И обычно гистидинкиназа выступает в качестве сенсора. Например, изменилась температура, мембрана сжалась, мембранный белок поменял свою конформацию. Только после этой замены он может фосфорилироваться. Он берет фосфат, заводит себя, потом этот фосфат может передаваться соответствующему этой гистидинкиназе регулятору ответа. Это другой белок, который, с одной стороны, принимает этот фосфат от киназы и, с другой стороны, уже в таком виде способен взаимодействовать с регуляторными областями генов. То есть киназа почувствовала, передала на регулятор ответа, регулятор ответа связался с промоторной областью генов, и гены начали экспрессироваться. Фактически это двухкомпонентная система восприятия. Мы определили сначала только один компонент. Гораздо позже, в 2006 году, мы смогли определить второй компонент.