Дистантная химическая коммуникация на службе "эффектов кворума". Тема химической коммуникации у микроорганизмов настолько широка (она была рассмотрена в более ранних авторских работах [4, 5, 78]), что мы ограничимся только теми диффузными химическими агентами, чьё участие в "эффектах кворума" установлено. Речь будет идти о следующих классах соединений: 1) ацилированные лактоны гомосерина, регулирующие широкий круг плотностно-зависимых коллективных процессов у грамотрицательных бактерий; 2) пептиды, регулирующие конъюгативный плазмидный перенос у Enterococcus, развитие воздушного мицелия у Streptomyces, споруляцию у бацилл и др.; 3) аминокислоты и сходные с ними аминные соединения, регулирующие агрегацию бактериальных клеток (E. coli, Salmonella typhimurium, Myxococcus xanthus) и формирование швермеров у Proteus mirabilis.

1. Кворум-зависимые системы с лактонами гомосерина как агентами межклеточной коммуникации (системы типа "luxI-luxR"). Рассмотрим вначале сравнительно хорошо изученные бактериальные системы, использующие ацилированные лактоны гомосерина. Классическим объектом служит морская светящаяся бактерия Vibrio fischeri [8, 12, 70]. Свечение является плотностно-зависимым процессом, т. е. не наблюдается в разбавленных клеточных суспензиях, например, просто в толще морской воды (плотность культуры менее 102 клеток/мл [70]). Свечение V. fischeri реализуется лишь в концентрированных культурах V. fischeri, в том числе в природных экологических нишах этой бактерии- в светящихся органах головоногого моллюска Euprymna scolopes, где плотность популяции достигает 1010-1011 клеток/мл [70]. Данная система, по-видимому, представляет пример взаимовыгодного межвидового сотрудничества "Моллюск, ночное животное, извлекает выгоду из того, что светящиеся бактерии делают его незаметным для хищников снизу; свечение, напоминающее лунный свет, устраняет тень, которая иначе возникала бы, если бы лунные лучи освещали моллюска сверху. А бактерия извлекает выгоду из того, что моллюск предоставляет питание и укрытие" [10, P.69]. Биохимию и генетику свечения V. fischeri исследовали поэтапно. Вначале удалось показать, что свечение культур V. fischeri, находящихся на ранней экспоненциальной стадии развития, может быть индуцировано культуральной жидкостью, отделённой от клеток V. fischeri во время стационарной фазы. Впоследствие была детально охарактеризована генетическая система "luxI – luxR" [12, 69, 70], оказавшаяся типичной для большинства известных плотностно-зависимых систем грамотрицательных бактерий.

Система включает 2 основных блока генов. Один из этих блоков—оперон luxICDABEG, чьи гены имеют следующие функции:

• Ген luxI кодирует белок (LuxI, 193 аминокислоты), который по всей вероятности функционирует как синтаза химического агента межклеточной коммуникации, чьё накопление в среде сигнализирует клеткам V. fischeri о достижении пороговой плотности (кворума) для биолюминесценции. Агент коммуникации синтезируется из S-аденозилметионина и 3-оксогексаноил-кофермента А и представляет собой N-(3-оксогексаноил)-L-лактон гомосерина (3-ОГЛГ).
• Гены luxA и luxB кодируют, соответственно, субъединицы a и b люциферазы (ферментного комплекса, ответственного за биолюминсценцию).
• Гены lux C,D, E кодируют редуктазу жирных кислот (один из окисляемых субстратов в ходе люциферазной реакции, приводящей к испусканию кванта света)
• Ген lux G кодирует редуктазу флавинмононуклетида (другой субстрат, также окисляемый в люциферазной реакции).

Другой генный блок включает ген lux R, чей белковый продукт LuxR (250 аминокислот) связывает фактор 3-ОГЛГ. Комплекс LuxR-3-ОГЛГ связывается с промоторным участком оперона luxICDABEG и активирует его транскрипцию. В отсутствие 3-ОГЛГ оперон luxICDABEG экспрессируется на низком "базовом" уровне. Белок LuxR в отсутствие 3-ОГЛГ функционирует как репрессор, в частности, гена luxR, кодирующего сам этот белок. По мере повышения концентрации клеток V. fischeri накапливающийся в среде 3-ОГЛГ начинает выступать как "аутоиндуктор": наряду со структурными генами его комплекс с LuxR активирует и транскрипцию luxI, т.е. синтез самого 3-ОГЛГ [10, 12, 70], активирующего в комплексе с LuxR траскрипцию оперона lux в новых и новыхклетках V. fischeri. Поэтому лавинообразно нарастает синтез всех компонентов люциферазной системы и начинается интенсивное свечение бактерий.

По принципу описанной системы luxI-luxR организованы (с теми или иными модификациями) кворум-зависимые регуляторные системы и у ряда других грамотрицательных бактерий (таблица). В роли диффундируюших химических факторов коммуникации также выступают ацилированные лактоны гомосерина. Одна и та же бактерия может включать несколько плотностно-зависмых систем. Так, в последние годы показано, что рассмотренная выше светящаяся бактерия V. fischeri фактически имеет и вторую плотностно-зависимую систему регуляции биолюминисценции ainI-ainR со своим активатором транскрипции (AinR), связывающим диффузный фактор N-октаноил-L-лактон гомосерина [8].

Аналогично, две кворум-зависимых системы с N-(3-оксибутаноил)-L-лактоном гомосерина и пока не идентифицированным соединением (условно названным AI-2) как диффузными агентами межклеточной коммуникации регулируют свечение у родственной морской бактерии Vibrio harveyi. Однако, наряду с активатором транскрипции (LuxR), у V. harveyi есть также и репрессор (LuxO). Его инактивация достигается сочетанным действием диффузных продуктов обоих систем: N-(3-оксибутаноил)-L-лактон гомосерина связывается белком LuxN, a AI-2 – белками LuxP и LuxQ, которые представляют собой гистидиновые киназы. Они инициируют работу каскада киназ, который и приводит к модификации путём фосфорилирования репрессора LuxO и, таким образом, к активной работе системы биолюминесценции [79].

Бактерии рода Erwinia (E. carotovora, E. chrysanthemii и др.) вызывают мягкую гниль картофеля, хризантем и других растений. Они расщепляют растительные клеточные стенки с помощью пектиназ и целлюлаз. Образование этих ферментов является важным фактором вирулентности Erwinia и представляет собой плотностно-зависимый процесс.[12, 70, 80]. Поэтому при достаточно высокой плотности популяции бактерий синтез ферментов происходит столь интенсивно, что клетки растений разрушаются раньше, чем их иммунная система успевает прореагировать на внедрение патогена. У Erwinia функционирует генная система expI-expR, аналог системы luxI-luxR у V. fischeri. Белок ExpI, частично гомологичный белку LuxI, необходим для синтеза диффузного фактора коммуникации – 3-ОГЛГ (как и у V. fischeri). В силу совпадения факторов коммуникации у Erwinia и у V. fischeri, введение плазмиды, содержащей все гены lux V. fischeri, за вычетом luxI, обусловливает плотностно-зависимую люминесценцию у E. carotovora [80].

У E. carotovora, кроме expI-expR, имеется также аналогичная генная система carI-carR. Система carI-carR ставит синтез антибиотика карбапенема, образуемого E. carotovora, в зависимость от плотности популяции. Активация синтеза антибиотика при высокой плотности популяции посредством системы carI-carR предположительно облегчает E. carotovora устранение бактерий-конкурентов, которые стремятся использовать продукты расщепления компонентов растительных клеток кворум-зависимыми экзоферментами E. carotovora [12, 70].