S-слои метанотрофов

В целом, работы, посвященные S-слоям метанотрофов, на данный момент ограничиваются лишь микроскопическими исследованиями. Ранние исследования показали, что у Mc. capsulatus Texas непосредственно под капсулой расположены S-слои, примыкающие к наружной мембране клеточной поверхности. S-слои имеют отчетливо выраженное периодическое строение с тетрагональной р 4-симметрией образующих их белковых субъединиц, характеризуются постоянным поперечным размером (60Å), и, по-видимому, нековалентно связаны с наружной мембраной клетки (Сузина, Фихте, 1986). Молекулярная масса формирующих S-слои белковых субъединиц составляет около 130 кДа. У Mc. capsulatus sp. 874 S-слои также имели тетрагональную симметрию (Тюрин с соавт., 1985).

Поверхностные слои с периодической исчерченностью обнаружены уряда штаммов Methylosinus trichosporium (Сузина с соавт., 1986). Эти слои образуются клетками только в позднем стационаре, тип их симметрии и природа не выявлены. У Methylocystis echinoides обнаружены трубчатые образования белковой природы, расположенные радиально на клеточной поверхности ассоциированные с клеточной стенкой (Гальченко с соавт., 2001). Диаметр этих трубочек у Methylocystis echinoides достигала 40 нм при длине от 0,03 – 0,4 мкм до 1,2 мкм при фиксации глутаральдегидом клеток, выращенных на плотной среде (Сузина и др., 1986). Функция этих причудливых структур на данный момент неизвестна.

Mm. album BG8 имеет S-слои в виде чашевидных образований диаметром 45-55 нм и глубиной около 60 нм. Эти структуры расположены в гексагональной (p 6) симметрии и покрывают всю поверхность клетки. Показано, что в центре каждого “бокала” расположена белковая глобула, а стенки бокалов сформированы фибриллярными белками (Berson et al., 1997; Karlsen et al., 2010).

Электронно-микроскопические исследования галофильных и алкалофильных метанотрофов рода Methylomicrobium выявили поверхностные S-слои двух типов организации: двухмерной (плоскостной) с расположением составляющих субъединиц в наклонной (р2) симметрии у Mm. modestohalophilum 10S, и трехмерной в виде монослоя чашевидных структур, расположенных в гексагональной (р6) симметрии у Mm. alcaliphilum и Mm. buryatense (Khmelenina et al., 1999; Kalyuzhnaya et al., 2001). Чашевидные структурыу последних двух видов несколько отличаются по морфологии (по высоте и диаметру). S-слой у Methylomicrobium kenyense AMO1 представлен монослоем мелких конусовидных структур, уложенных на клеточной поверхности в гексагональной симметрии (Sorokin et al., 2000). Такой способ организации S-слоев ранее не был описан у метанотрофных бактерий.

Поверхностные структуры особенно четко видны после фиксации клеток рутениевым красным, что свидетельствует о наличии в их составе полисахаридов. Выделенные поверхностные клеточные структуры штаммов 10S и 20Z содержали в основном белки (80 и 96% соответственно). Анализ очищенных белков показал, что они преимущественно состоят из кислых и гидрофобных аминокислот, тогда как серосодержащие аминокислоты (цистеин и метионин) представлены в минорных количествах. Углеводный компонент у штамма 20Z состоял в основном из глюкозы (92%), а у штамма 10S – также галактозы (76 и 14% соответственно). При электрофорезе в полиакриламидном геле проявлялась только одна белковая полоса с м.м. 27 кДа у Mm. modestohalophilum 10S. Напротив, у штамма 20Z было выявлено несколько белковых полос 10-45 кДа, что отражает более сложный белковый состав S-слоя чашевидных структур.

Итак, присутствие S-слоев, расположенных на поверхности клеток в различной симметрии – р 4, р 2или р 6 оказалось важной особенностью солезависимых метанотрофов. Возможно, они выполняют функции каркаса, определяющего ригидность клеточного конверта, предотвращая лизис клеток в условиях изменяющегося осмотического давления. Предполагалось, что S-слои галоалкалофильных метанотрофов могут быть своеобразными пориноподобными молекулярными ловушками метана в условиях, ограничивающих его растворимость (высокая соленость и высокая температура). Это предположение согласуется с присутствием S-слоев у термотолерантного Mc. сapsulatus (Тюрин с соавт., 1985). Этот факт косвенно подтверждает предположение о повышенной растворимости метана в матриксе S-слоев (Калюжная с соавт., 1998). Поверхностные структуры особенно четко были видны после фиксации клеток рутениевым красным, что свидетельствует о наличии в их составе полисахаридов.

Хотя в настоящее время нуклеотидные последовательности геномов многих метанотрофов известны, включая Mc. сapsulatus Bath, Mm. album BG8 и Mm. alcaliphilum 20Z, однако гены, кодирующие белковые компоненты S-слоев, не идентифицированы.

Исследование поверхностных белков и кодирующих их генов у метанотрофов представляет интерес для продукции полезных белков посредством гетерологичной экспрессии. Это перспективно ввиду непатогенности метанотрофов, низкой протеазной активности и способности достигать высокой плотности клеток при культивировании на простых средах. Кроме того, изучение поверхностных белков и их функций у метанотрофов с различными физиолого-биохимическими особенностями может привести к лучшему пониманию роли клеточной оболочки в адаптации этих бактерий к флуктуациям природных условий. Необходимы дальнейшие молекулярно-генетические и цитобиохимические исследования для понимания истинной роли S-слоев в адаптации метанотрофов к различным экстремальным условиям обитания.