Функции S-слоев

К сожалению, работы по выявлению функ­циональной роли S-слоев достаточно фрагмен­тарны (Koval et al., 1997; Sleytr et al., 1997; Sara et al., 2000, 2001). Значительную роль S-слои играют в поддержании формы клеток, т.е. выполняют структурную, а также морфогенетическую функции (Sleytr et al., 1997). Это касается в первую очередь архей, поскольку их S-слои являют­ся единственным ригид­ным компонентом клеточных поверхностных структур (Messner et al., 1990, 1992; Howorka et al., 2000; Baumeister et al., 1992; Peters et al., 1996). Для эубактерий, по всей вероятности, морфогенетическая функция S-слоев не столь важна, как для архей. Это подтверждается тем фактом, что в лабораторных условиях при обеспечении оптимальных условий для роста микроорганизма могут образоваться дефицитные по S-слоям мутанты, в особенности среди эубактерий (Koval et al., 1997; Sleytr et al., 1997). Культивирование галофильной археи Haloferax volcanii DS2 на безмагниевой среде приводило к потере клетками S-слоев, клетки теряли присущую им шарообразную форму (Eichler et al., 2001).

S-слои могут выполнять защитную функцию, способствуя термостабиль­ности бактериальной клетки и адаптации ее к различным факторам внешнего воздействия (Sleytr et al., 1997; Sara et al., 2000). Белковые S-слои, имея "порис­тую" структуру, играют роль своеобразного фильтра, способствующего поступлению необхо­димых питательных веществ и выходу метаболи­тов, а также препятствующего воздействию круп­ных молекул "нежелательных" ферментов. Поры, имеющие размеры от 2 до 4 нм, защищают клетку от действия литических ферментов, мурамидаз, поверхностно-активных веществ и различ­ных токсических агентов (Baumeister et al., 1992).

Подавляющее боль­шинство S-слоев у различных микроорганизмов проявляют устойчивость к действию протеолитических ферментов, но, будучи удаленными с поверхности клеток, становятся способными к деградации (Koval et al., 1997). Отмечено также, что S-слои препятствуют процессу экскреции белков (Sleytr et al., 1997). Это дает основание предположить, что белковая сетчатая структура S-слоя является в определенной степе­ни эквивалентом периплазматическому прост­ранству грамотрицательных эубактерий (Sleytr et al., 1997).

S-слои могут также выполнять функ­ции, аналогичные экзополисахаридному гликокаликсу, действующему наподобие ионообменной смолы путем связывания неорганических и орга­нических питательных веществ или токсических металлов вблизи клеточной поверхности (Beveridge et al., 1997; Koval et al., 1997).

В периплазматическом пространстве, формируемом S-слоем, может происходить транспорт, фолдинг, экспорт, а так же деградация и хранение экзопротеинов. У Staphylothermus marinus S-слой расположен на расстоянии 70 нм от цитоплазматической мембраны, контактируя с ней специфическими "стеблями", в центре каждого из которых находятся по две копии термостабильной протеазы. Этот фермент выдерживает нагревание до 95 ⁰С в свободном виде, и до 125 ⁰С в составе S-слоя (Peters et al.,1996). В S-слоях представителей семейства Bacillaceae также выявлены сайты для ассоциации экзоферментов. Так, у B. stearothermophilus описана внеклеточная экзоамилаза, ассоциированная с S-слоем.

Благодаря паракристаллической струк­туре, S-слои могут функционировать и как "физи­ческие" барьеры (Stewart et al., 2005). Известно, что топографически кристаллическая организация обладает большей связывающей способностью, чем волокнистая структура. Это продемон­стрировано по расположению и функциональной значимости отдельных заряженных групп в S-слоях (Sara et al., 2000).

Показано, что S-слои грамотрицательных бактерий Aeromonas salmonicida, Campilobacter fetus и Caulobacter crescentus выполняют также функцию защиты от внутриклеточных паразитов таких как Bdellovibrio bacteriovorus (Gustafson et al., 1994; Koval,1997). Кроме того, описана способность S-слоев Methylococcus capsulatus защищать клетки от инфицирования бактериофагами (Гальченко, 2001).

S-слой Lactobacillus brevis обладает свойством связываться с коллагеном и фибринонектином и обеспечивает адгезию бак­териальных клеток, покрытых S-слоями на эпи­телиальных клетках человека, но не связывает такие бактерии с эритроцитами (Hynonen et al., 2002). S-слой дру­гой молочнокислой бактерии, Lactobacillus acidophilus, также адсорбируется на эпителии кишеч­ника кур (Lorea et al., 2002). Коллаген и фибринонектин пред­ставляют собой основу межклеточного матрикса высших животных и общую мишень патогенных бактерий. Так, патогенная для рыб бактерия Аеrоmonas salmonicida внедряется в межклеточный матрикс с помощью S-слоя. Таким образом, S-слой является важным фактором патогенности (Schneitz et al., 1992). Это свойство характеризует и S-слои Сатруlobacter fetus, вызывающего болезнь кур (Dworkin et al., 1997).

Интересна функция S-слоя цианобактерии Synechococcus (штамм GL24). Эта бактерия обита­ет в достаточно сильно минерализованном озере (штат Нью-Йорк), и поры S-слоя этой бактерии служат матрицей для кристаллизации гипса или кальцита (Sara et al., 1992). Минерализованный слой постоянно удаляется с поверхности бактерий, защищая таким способом клетку. Возможно, это явление играет свою роль при образовании тонкодисперсных минералов в природе.

Существенная функция роль S-слоев, зависящая от их локализации, - это обес­печение клеточной адгезии (Smith et al., 2002). Показано, что "адгезивность" S-слоев к твердым поверхнос­тям зависит от их химического состава и усло­вий окружающей среды (Beveridge et al., 1997). По сравнению с мутантами, дефицитными по S-слою, термофильные бациллы, имеющие дан­ные слои, обладают намного большей способнос­тью адсорбироваться на положительно заряжен­ных или гидрофобных поверхностях (Sleytr et al., 1997). Имеют­ся данные, что S-слои самостоятельно или в комбинации с другими поверхностными компо­нентами клетки, например липополисахаридами, могут усиливать аутоагглютинацию, что наблю­дали у многих архей и эубактерий (Baumeister et al., 1992).

В последние годы убедительно показано, что S-слои, играющие важную многофункцио­нальную роль в жизнедеятельности микробной клетки, представляют собой более общее явле­ние, чем это предполагалось ранее. Хотя получены новые данные об их структурной организации и химическом составе, вопросы биосин­теза слоев и некоторые их функциональные особенности все еще недостаточно ясны. Мало информации о функциональном значении уг­леводной части гликопротеинов S-слоев. Экофизиологический подход и условия, максимально приближенные к естест­венным условиям обитания исследуемых микро­организмов, весьма существенны при изучении функциональной роли S-слоев. Для понимания особенностей биосинтеза, структурной организа­ции и эволюции S-слоев важны биохимические и генетические исследования. Наряду с такого рода фундаменталь­ными исследованиями изучение S-слоев может иметь и определенный биотехнологический ас­пект, в частности, для изготовления специальных пористых мембран для ультрафильтрации с нео­бычайно обширным разнообразием свойств в зависимости от входящих в их со­став белков и углеводного компонента (Sara et al., 1992; Sleytr et al., 1997).