Микробиология, 2019, T. 88, № 4, стр. 377-400

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКСТРЕМОФИЛОВ

Экстремофильные прокариоты включают две категории организмов. Моно- и полиэкстремофилы для своего роста требуют один или более экстремальных условий внешней среды. Экстремотолерантные организмы могут обладать устойчивостью к одному или более физико-химическим параметрам, но для оптимального роста нуждаются в “нормальных” условиях (Pikuta et al., 2007; Fang et al., 2010; Mesbah, Wiegel, 2012). При классификации экстремофилов учитывают спектр абиотических факторов для физиологических приспособлений к среде обитания, в частности, выделяют минимальные, оптимальные и максимальные значения параметров для их роста (табл. 1). Для полиэкстремофилов обычно рассматривают комбинации температуры с соленостью и рН, а также с соленостью, рН и гидростатическим давлением. При анализе сочетаний экстремальных условий отмечают, что фактически нет ацидофильных психрофилов и галофилов, отсутствуют пресноводные пьезофилы, нет галофильных гипертермофилов (Pikuta et al., 2007). Бактерии, как правило, доминируют в низкотемпературных и щелочных экосистемах, а археи – в высокотемпературных и кислых.

Глубоководную пьезосферу принято определять как океанические водные массы с глубин более 1000 м (гидростатическое давление ≥100 атм или ≥10 МПа). Она занимает около 75% общего объема мирового океана, средняя глубина ~3800 м (38 МПа) (Fang et al., 2010). Пьезосфера в основной ее части холодная (2–4°С), но в локальных местах гидротермальных излияний температура может достигать 150–370°С. Классификация пьезофилов основана на оптимальных значениях давления и температуры для их репродукции. Пьезотолерантные прокариоты способны расти в довольно широком диапазоне гидростатического давления (0.1–50 МПа). Облигатные пьезофилы нуждаются в высоком давлении 60–100 МПа. Облигатные психрофилы обычно представлены пьезофилами (30–50 МПа, t_опт 4–10°С). У умеренных и облигатных термофилов корреляционная связь между гидростатическим давлением и оптимальной температурой репродукции выражена значительно слабее, чем у облигатных психрофилов.

Галофилия и алкалофилия хорошо сочетаются в определенных морских и наземных средах, где щелочность обусловлена наличием карбонатных солей, общая соленость выше концентрации NaCl. Для галоалкалофилов (натронофилов) характерна облигатная зависимость от ионов натрия, от карбонат- и хлорид-ионов. Некоторые из них способны расти и при повышенной температуре как тройные полиэкстремофилы – галофильные алкалотермофилы (Pikuta et al., 2007). Они обладают комплексом адаптационных механизмов, позволяющих контролировать энергетический и осмотический баланс, цитоплазматический рН-гомеостаз, мембранную проницаемость и стабильность внутриклеточных протеинов. Напротив, моноэкстремофилы без предварительной адаптации не способны защитить клетки от других стрессоров. Их выживание в конкретных стрессорных условиях обусловлено усилением синтеза комплекса из 40–70 протеинов, часть из них стресс-специфичны: 15–19% для теплового и солевого стрессов, 22–39% для кислотного и окислительного стрессов (Svensäter et al., 2000). Шесть белков теплового шока принято характеризовать как главные протеины общего стрессового ответа.

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ КЛАССОВ EURYARCHAEOTA И ПОРЯДКОВ CRENARCHAEOTA

На основании филогенетического анализа домен Archaea разделен на два основных филума – Euryarchaeota и Crenarchaeota. По данным на 2001 г. культивируемые термофильные и гипертермофильные кренархеи было принято объединять в один класс Thermoprotei и подразделять на три порядка – Desulfurococcales, Sulfolobales и Thermoproteales. В 2009 г. в состав филума Crenarchaeota предложено включить еще один порядок – Acidilobales (Prokofeva et al., 2009). Представители этого нового порядка обитают в наземных горячих источниках, являются термофильными ацидофилами, облигатными анаэробами, рост которых заметно стимулирует элементная сера. Их мембранные липиды содержат уникальный изопреноидный кренархеол – глицерин-диалкил-глицерин-тетраэфир (ГДГТ) с циклопентановыми и циклогексановыми кольцами (Prokofeva et al., 2000; Pearson et al., 2008) (табл. 2). Выявлена значительная положительная корреляционная связь между содержанием ГДГТ и низким значением рН, но слабая – с температурой роста (Pearson et al., 2008). ГДГТ являются также коровыми липидами мембран литоавтотрофных аммонийокисляющих архей, которые вынесены из состава культивируемых гипертермофильных кренархеи в мезофильный филум Thaumarchaeota (De la Torre et al., 2008). У пьезофильных термофилов синтез ГДГТ практически полностью ингибируется в условиях повышенного гидростатического давления (Siliakus et al., 2017). При этом в составе кренархеолов начинают преобладать ациклические тетраэфиры без циклопентановых колец и археольные C₂₀C₂₀ дифитанилглицериновые диэфиры, которые можно рассматривать также в качестве специфических коровых мембранных липидов нейтрофильных термофилов филума Euryarchaeota (табл. 2).

Ацидофилия/ацидотолерантность являются характеристическими признаками и для многих культивируемых факультативно анаэробных термофильных кренархей порядка Sulfolobales (Huber, Prangishvili, 2006). В аэробных условиях они окисляют серу кислородом воздуха, а в анаэробных – восстанавливают серу водородом. Как большинство архей они устойчивы к антибиотикам. Их клеточная стенка окружена филигранным тетрагональным протеиновым S-слоем. Основными мембранными липидами у них являются кренархеольные тетраэфиры с различным числом циклопентановых колец (Metallosphaera sedula) или ГДГТ с четырьмя циклопентановыми и одной циклогексановой группами (Sulfolobus solfataricus) (Pearson et al., 2008).

Большинство представителей порядка Thermoproteales изолированы из наземных гидротерм. Лишь Pyrobaculum aerophilum был выделен из мелководной морской гидротермы, но пьезофильностью или пьезотолерантностью не обладает (Völkl et al., 1993). Он является факультативно анаэробным миксотрофом, денитрифицирующим нитрат- и железовосстанавливающим гипертермофильным нейтрофилом. Эффективно растет микроаэрофильно на пептидах и автотрофно с водородом или тиосульфатом, но его рост ингибируется элементной серой. Кренархеолы Py. aerophilum, подобно Thermoproteus spp., представлены ациклическими и циклическими тетраэфирами с различным числом циклопентановых колец. Наивысшую степень циклизации тетраэфиров (C_40:2C_40:2) проявляют аэробно растущие клетки. Их клеточная стенка содержит протеиновый S-слой, но со своеобразной гексагональной симметрией (его толщина 5 нм на расстоянии 30 нм от цитоплазматической мембраны).

Ацидотолерантные (рН_опт 5.5–7) гипертермофилы (t_опт 85–106°С) порядка Desulfurococcales были изолированы из горячих континентальных источников или мелководных высокотемпературных морских осадков и глубоководных гидротерм с глубин от 1400 до 3650 м (Huber, Stetter, 2006). Поэтому лишь некоторые из них обладают умеренной пьезофильностью. Метаболизм многочисленных родов этого порядка различается довольно существенно. При органотрофном росте в качестве доноров электронов они предпочитают использовать сбраживаемые субстраты (пептиды), а в качестве акцепторов электронов – S⁰ или ${{{\text{S}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}_{3}^{{2 - }},$ Fe³⁺. Облигатно автотрофный Pyrodictium occultum в качестве единственного источника энергии использует водород, а в качестве акцепторов электронов – CO₂, S⁰ или ${{{\text{S}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}_{3}^{{2 - }}.$ Факультативно автотрофный Pyrolobus fumarii в качестве альтернативных акцепторов электронов может использовать CO₂, ${\text{NO}}_{3}^{ - },$ ${{{\text{S}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}_{3}^{{2 - }},$ Fe³⁺ и O₂ в низких концентрациях (Blöchl et al., 1997). Он выделен из высокотемпературных гидротерм Срединно-Атлантического хребта с глубины 3650 м. Он рос в температурном диапазоне 90–113°С как пьезофил (t_опт 106°С при 25 МПа, время генерации 1 ч). При водородзависимом хемолитоавтотрофном росте экспоненциально растущая культура выдерживала автоклавирование при 121°С в течение 1 ч.

Культивируемые представители филума Euryarchaeota объединены в 7 классов и 10 порядков. Виды класса Methanobacteria при метаногенезе восстанавливают CO₂, в клеточной стенке содержат псевдомуреин, различаются наличием поверхностного протеинового S-слоя и составом липидов мембран. Класс Methanococci включает 3 порядка термофильных метаногенов (Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales), класс Methanopyri – лишь один род (Methanopyrus) гипертермофильных метаногенов. Другие эвриархеи 4-х классов и 4-х порядков существенно различаются как по физиологии, так и по метаболизму: Halobacteriales – аэробные, гетеротрофные, облигатно галофильные мезофилы; Thermoplasmatales – аэробные и факультативно анаэробные, облигатно ацидофильные, умеренные термофилы; Thermococcales – нейтрофильные ферментирующие, сапрофитные, серозависимые гипертермофильные пьезофилы; Archaeoglobales – нейтрофильные гипертермофилы, миксотрофные, использующие в энергетическом метаболизме разнообразные акцепторы электронов (CO₂, Fe³⁺, ${\text{NO}}_{3}^{ - },$ ${{{\text{S}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}_{3}^{{2 - }}$ и/или ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$).

Наиболее ацидофильными из всех известных микроорганизмов являются виды рода Picrophilus (P. oshimae, P. torridus) порядка Thermoplasmatales, способные расти в диапазоне рН 0–3.5 (рН_опт 0.7 при t_опт 60°С) (Schleper et al., 1995). В отличие от Thermoplasma spp., они представлены облигатно сапротрофными аэробами, имеют клеточную стенку с тетрагональным S-слоем и мембранные кренархеольные тетраэфиры без циклогексановых колец с различным числом циклопентановых колец (С_40:0С_40:0, С_40:1С_40:0, С_40:2С_40:1, С_40:2С_40:2, С_40:3С_40:2).

Единственным пьезофильным гипертермофилом среди многочисленных метаногенов является Methanopyrus kandleri, обитающий в глубоководных гидротермах и имеющий температурный оптимум развития 105°С при 20 МПа с верхним пределом 110°С (Kurr et al., 1991). Это облигатный хемолитоавтотроф, использующий H₂/CO₂ в качестве источников энергии и углерода. Мембранные липиды представлены преимущественно С₂₀С₂₀ археолами. Уникальная клеточная стенка состоит из псевдомуреина, содержащего глутамат, аланин, лизин, орнитин и N-ацетилгалактозамин, покрыта поверхностным детергент-чувствительным протеиновым слоем. По сравнению с термофильными метаногенами, имеет повышенное содержание Г + Ц в ДНК (60 мол. %) и особенно в 16S рРНК (>65 мол. %) на уровне типичных гипертермофилов (Kimura et al., 2006). Недавно с глубины 2450 м из гидротерм Центрально-Индийского хребта выделен новый штамм 116 Methanopyrus kandleri, обладающий способностью расти при более высокой температуре, чем типовой штамм: до 116°С при 0.4 МПа и до 122°С при 20 МПа (Takai et al., 2008). Кроме того, при пьезофильном росте нового изолята выявлено существенное обогащение СH₄ тяжелым изотопом углерода. Изотопное фракционирование коррелировало также с концентрацией молекулярного водорода в среде. При обычных ростовых условиях метаногенез характеризовался типичным для гидрогенотрофoв облегченным изотопным составом углерода метаногенов (δ¹³С от –34 до –27‰). При сочетании высокой температуры и гидростатического давления (122°С, 40 МПа) показатель δ¹³С-CH₄ понизился до –9.4‰. Обогащение СН₄ тяжелым изотопом углерода (δ¹³С от –7 до –12‰) установлено и при его абиотическом термогенном синтезе в глубоководных условиях (McCollom, Seewald, 2007).

Многие гипертермофильные археи и некоторые бактерии способны сопрягать использование Н₂ в качестве донора электронов, Fe(III) – в качестве акцептора и сохранять способность восстанавливать Fe(III) при росте на альтернативных акцепторах электронов. Высокая Fe(III)-редуктазная активность сначала была установлена у Pyrodictium abyssi, Pirococcus furiosus, Pyrobaculum islandicum и Thermotoga amaritima (Vargas et al., 1998). В аналогичных условиях гипертермофилия четко выражена у Pyrobaculum aerophilum (Völkl et al., 1993), Pyrolobus fumarii (Blöchl et al., 1997), Geoglobus ahangari (Kashefi et al., 2002b) и у анаэробной пресноводной δ-Proteobacteria Geothermobacterium ferrireducens (t_опт 90°С, t_макс 110°С), использующей единственный источник энергии H₂ и единственный акцептор электронов – Fe(III) (Kashefi et al., 2002a).

Археи мезофилы (анаэробные нейтрофильные метаногены с Г + Ц в ДНК 37–46 мол. % и аэробные алкалотолерантные галофилы с высоким Г + Ц в ДНК 60–67 мол. %) имеют большой по размеру геном 2.57–5.75 м.п.н., что накладывает ограничения на скорость их деления (Boone, 2001; Grant et al., 2001; Oren, Stetter, 2006). Большой геном у экстремофилов этой группы, по-видимому, отражает их способность аккумулировать эволюционно важные события, адаптивность за счет генотипических свойств, повышенный потенциал к видообразованию и стремление к “нормальным” температурным условиям. Напротив, археи термоацидофилы (с Г + Ц в ДНК 33–54 мол. %) и гипертермофилы (с вариабельным Г + Ц в ДНК 42–67 мол. %) обладают небольшим по размеру геномом: от 2.99 м.п.н. у Sulfolobus solfataricus до 1.55 м.п.н. у Picrophilus torridus (Fütterer et al., 2004) и до 0.49 м.п.н. у Nanoarchaeum equitants (Huber et al., 2002) – наноразмерного облигатного симбионта гипертермофилов Ignicoccus spp. Их редуцированные геномы соразмерны с маленькими геномами паразитических микроорганизмов, а также геномами митохондрий, плазмид и ДНК-вирусов. Малоразмерные геномы архей этой группы, вероятно, связаны общей эволюционной историей, обусловлены фенотипическими изменениями при адаптации к конкретным экстремальным условиям. Они принадлежат к различным культивируемым и некультивируемым таксономическим ветвям Crenarchaeota и Euryarchaeota, детектируются в географически удаленных экосистемах, но обладают высоким внутривидовым сходством нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. В составе их мембранных липидов явно преобладают С_40:XС_40:Y кренархеольные тетраэфиры с различным числом (X, Y) циклопентановых колец или С_40:X+1С_40:Y с одним дополнительным циклогексановым кольцом (DeRosa et al., 1986; Prokofeva et al., 2000; Pearson et al., 2008). Напротив, мембранные липиды алкалотолерантных галофилов и нейтрофильных метаногенов филума Euryarchaeota, включая гипертермофилов Methanopyrus kandleri, представителей нейтрофильных гипертермофилов порядков Archaeoglobale и Thermococcales состоят в основном из С₂₀С₂₀ и С₂₀С₂₅ археольных дифитанилглицериновых диэфиров (Tenchov et al., 2006). Мембраны большинства экстремально галофильных Archaea (в отличие от метаногенов) характеризуются обилием (50–80 мол. %) фосфолипидов PGP-Me и PG, но низким содержанием гликолипидов. Наличие или отсутствие специфических полярных липидов мембран (типа PL, PGS, S-GL) является одним из ключевых таксономических признаков архей класса Halobacteria (Grant et al., 2001; Oren, Stetter, 2006).

Полагают, что весомый вклад в изменчивость Halobacteria на видовом и родовом уровне принадлежит генетической рекомбинации (Williams et al., 2012). Особенно активный обмен генами и существенное перераспределение генетического материала путем гомологичной рекомбинации установлено между родами Haloferax, Halogeometricum и Halorubrum, между Haloterrigena и Halopiger. Массивный горизонтальный перенос генов (ГПГ), вероятно, осуществлялся внутри филума Euryarchaeota сначала к галоархейному общему предку от хемолитоавтотрофных термофильных метаногенов, затем от ферментирующих метаногенов порядка Methanosarcinales (Nelson-Sathi et al., 2012). В свою очередь метаногены и Haloarchaea значительную часть генов приобрели через отдаленный ГПГ от бактерий, особенно от представителей филумов Actinobacteria и Proteobacteria при освоении новых экологических ниш.

У анаэробных (гипер)термофильных архей осморегуляторы (“совместимые осморегуляторы”, осмопротекторы, осмолиты) представлены разнообразными низкомолекулярными органическими соединениями (Roberts, 2005). У пьезофильных термофилов осмотическое давление среды сбалансировано за счет α-маннозилглицерата (αMG), α-диглицерофосфата (αdiGP) и циклического дифосфоглицерата (Cyc-diPG) (Santos, daCosta, 2002); у гипертермофилов – за счет ди-мезо-инозитфосфата (DIP) или дисахарида трегалозы (TRE); у умеренных термофилов – за счет глицинбетаина (GB) и N^ε-ацетил-β-лизина (εAch). Эти гиперосмолиты, по-видимому, выполняют роль и термопротекторов. Синтез и накопление TRE в клетках происходит активно при росте на дрожжевом экстракте (YE), триптоне и некоторых других пептидах (ПЕП), а DIP – на H₂ и ПЕП (Santos, daCosta, 2002; Roberts, 2005).

Аэробные умеренно термофильные экстремально галофильные археи в качестве осморегуляторов используют преимущественно катион K⁺, частично Na⁺ и Cl^– (Grant et al., 2001; Oren, Stetter, 2006). Высокая внутриклеточная концентрация K⁺ им необходима для стабилизации их рибосом, а Na⁺ – для целостности белковых компонентов их клеточной стенки. Мембраны галоархей обычно содержат розовые каротиноидные пигменты и хромпротеины бактериородопсин и/или галородопсин, обладающие способностью при дефиците растворенного O₂ на свету создавать протонный градиент для обеспечения синтеза АТФ.

Следует отметить, что также у галофильных, термотолерантных, облигатно анаэробных, ферментирующих углеводы и ПЕП, нейтрофильных/алкалофильных Firmicutes класса “Clostridia” порядка Haloanaerobiales функцию осморегулятора выполняют исключительно катионы K⁺ (Oren, 1986; Mesbah, Wiegel, 2012). У них (как и у галоархей) солеустойчивые белки обогащены гидратированными остатками кислых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой). Они (в отличие от аэробных галоархей) имеют низкое содержание Г + Ц в ДНК (27–42 мол. %). Совершенная галоадаптация позволяет этим мезофильным/умеренно термофильным галоанаэробным бактериям развиваться в засоленных средах с большой скоростью (время генерации 0.7–7 ч).

В последние десятилетия, благодаря применению современных микробиологических и молекулярно-генетических методов, появились доказательства нахождения жизнеспособных клеток определенных микроорганизмов в солевых отложениях возраста 10–250 млн лет (Fish et al., 2002; Vreeland et al., 2002; Saralov et al., 2013). Американские исследователи из солевых минералов месторождения Саладо пермского периода (Карлсбад, шт. Нью-Мексико, США) выделили представителя нового рода и вида галоархей Halosimplex carlsbadense (Vreeland et al., 2002). Этот галофильный пигментированный изолят способен расти лишь на бедных средах с пируватом, с глицерином + (пируват или ацетат). В составе полярных липидов его мембран присутствуют фосфолипиды PGP-Me и PG, гликолипиды S₂-DGD, S-TeGD и два новых неидентифицированных S-PL. Он уникален тем, что обладает тремя дивергентными 16S рРНК генами (обозначенными А, В и С). Гены А и В имеют удовлетворительное сходство в происхождении 97.7%, но А и С – лишь 93.8%, С и В – 92.2%.

Нами из монолитов пестрого сильвинита Верхнекамского месторождения калийных солей (г. Соликамск) изолировано три пигментированных штамма нового вида Haloferax chudinovii, названного в честь Н.К. Чудинова – пионера в обнаружении жизнеспособных микроорганизмов в древних солевых отложениях России (Saralov et al., 2013). Облигатные аэробы, хемоорганотрофы, в качестве источников углерода и энергии используют ряд углеводов, карбоновых кислот и глицерин. Полярные липиды мембран представлены PGP-Me, PG, S-DGD-1 и DGD-1. Отсутствие PGS и преобладание S-DGD-1 в составе гликолипидов является важным опознавательным признаком для видов рода Haloferax (Oren, Stetter, 2006). Пурпурные мембраны богаты каротиноидами бактериорубериновой серии с системой из 13 сопряженных двойных связей. Продукция С₅₀-каротиноидов значительно усиливается при концентрации NaCl около нижней границы роста (70 г/л), но при высокой концентрации MgCl₂ ⋅ 6H₂O (110 г/л). Организм Hf. chudinovii представляется перспективным для производства С₅₀-бактериоруберина.

Обнаружение микроорганизмов в древних кристаллических структурах льда и солевых минералах свидетельствует о принципиальной возможности явления сверхдлительного анабиоза, о сохранении жизнеспособности древнего поколения без деления в течение продолжительного временного периода.

АДАПТАЦИЯ ЭКСТРЕМОФИЛОВ К ВИРУСАМ

Механизмы горизонтального переноса генов обычно реализуются через вирусы-бактериофаги (трансдукция) или через плазмиды (конъюгация) между хромосомами или клетками, отличающимися друг от друга геномами. Многие ДНК-фаги обладают специфичностью использовать аппарат ДНК репликации архей, нарушать клеточный метаболизм и поражать их. Устойчивость клеток к бактериофагам и конъюгативным плазмидам – это одна из форм адаптивности у экстремофилов (Sheppard, Werner, 2017).

В постоянно холодных полярных регионах вирусы концентрируются преимущественно в молодых льдах, а бактерии – в водном столбе и донных отложениях. Фаги семейств Siphoviridae и Myoviridae обладают более резко выраженной адаптивностью к низким температурам (0–5°С), чем психрофильные бактерии родов Shewanella, Colwellia и Flavobacterium (5–15°С) (Borriss et al., 2003). Сравнительно подробно исследован криофильный бактериофаг 9А (Siphoviridae), поражающий облигатно психрофильных пьезофилов Colwellia psychrerythraea и C. demingiae (t_мин – 6°С, t_опт 8–10°С при 40 МПа) (Wells, Deming, 2006). Фаг 9А образует “бляшки” на сплошном бактериальном газоне даже при –10 и –13°С при гидростатическом давлении 0.1–20 МПа, но утрачивает эту способность при 40–60 МПа или повышенной солености. Специфичные к Colwellia spp. холодоустойчивые ферменты фага 9А обладают повышенной эффективностью при $ \ll $t_опт хозяина (8–10°С). Поэтому при –1°С он может размножаться в 10 раз быстрее, чем при 8°С.

Прокариотические клетки для борьбы с вирусами и чужеродными плазмидами используют разнообразные защитные системы (Samson et al., 2013). Во-первых, для предотвращения контакта поверхности клетки с вирусными частицами формируют капсулы из экзополисахаридов и поверхностные протеиновые S-слои. Во-вторых, чтобы распознать чужеродную ДНК, модифицируют свои нуклеотиды, в частности, метилированием. Любая ДНК, не обладающая соответствующей модификацией, распознается как интервент и становится мишенью для неспецифических рестриктаз. В-третьих, в геномах большинства прокариот недавно открыта CRISPR-Cas система, обладающая гипотетической функцией противовирусного иммунитета (Barrangou et al., 2007; Grissa et al., 2007).

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами, найдены у 45% всех известных бактерий и 90% архей (Samson et al., 2013). Они состоят из “тела” кассеты, содержащей монотонно чередующиеся повторы (со средней длиной 32 п.н.) и спейсеры между ними (≈30 п.н.), примыкающих к лидерной последовательности АТ-типа (≈70–400 п.н.). Рядом с CRISPR-кассетами обычно расположены Cas-гены (CRISPR-associated), связанные с процессами различных перестроек ДНК. Повторы в одной кассете совпадают между собой по длине и последовательности нуклеотидов. Напротив, спейсеры в пределах кассеты, как правило, принципиально отличаются по последовательности нуклеотидов. Оказалось, что после заражения термофильной культуры Streptococcus thermophilus бактериофагом в CRISPR-кассетах выживших клонов рядом с лидерной последовательностью появлялись дополнительные спейсеры, комплементарные участкам генома заразившего вируса. При повторном заражении теми же бактериофагами все клоны с дополнительными спейсерами выживали (Grissa et al., 2007). Итак, вновь встроенный спейсер может полностью совпадать с участком фагового генома (протоспейсером) и обеспечивать надежную защиту клетке от данного вируса. Приобретенный противовирусный иммунитет адаптивен и передается по наследству. Число спейсеров в CRISPR-кассете может варьировать от двух до нескольких сотен, что фактически отражает историю взаимоотношений прокариотической клетки с инфицирующими ее бактериофагами (Barrangou et al., 2007; Grissa et al., 2007). В геномах может содержаться несколько CRIS-PR-кассет, в частности, в ДНК термофильной H₂-метаноархеи Methanocaldococcus jannaschii обнаружено 18 кассет.

Наличие противовирусной CRISPR-Cas системы даже у гипертермофильных архей не гарантирует полную защиту от фага, например, от цитолиза клеток при участии бактериофагов. Исследовано интригующее взаимодействие между вирусом SSV9 семейства Fuselloviridae, специфичным к Sulfolobus spp., и ацидогипертермофильным штаммом Sulfolobus islandicus (Bautista et al., 2015). Активная CRISPR-Cas система штамма предотвращала продуктивную вирусную инфекцию. Однако фаг выживал (персистировал), индуцировал стазис – остановку роста культуры, переводил жизнеспособные клетки в состояние покоя или вызывал цитолиз – драматическое и быстрое разрушение клеток. Обилие различных типов покоящихся клеток было обнаружено во многих природных сообществах прокариот. Описанная крепкая связка взаимодействия фаг–хозяин расширяет наши представления о важной роли вирусов в экологии микроорганизмов.

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ПСИХРОФИЛОВ И ПСИХРОТРОФОВ

С помощью молекулярно-биологических методов in situ в холодных местообитаниях найдено большое количество разнообразных “некультивируемых” филотипов Archaea и Bacteria (Bowman et al., 2000a, 2000b; Karen et al., 2004). Методом флуоресцентной гибридизации изучена структура микробных сообществ в зимних пробах льдов Арктики (Аляска, США) в температурном диапазоне от –2 до –20°С (Karen et al., 2004). Представители домена Archaea во льдах сравнительно малочисленны, менее 3.4% от общего количества жизнеспособных клеток. В сообществе микроорганизмов явно преобладали представители Сytophaga-Flavobactaria-Bacteroides (CFB), 16–82% от Bacteria. Активные клетки (более 50%) были ассоциированы с поверхностью частиц детрита и жидкими межкристаллическими включениями рассолов. Большинство облигатно морских психрофилов из CFB группы принадлежат к классу “Flavobacteria”, в частности, к представителям родов Flavobacterum, Polaribacter и Maribacter (табл. 3). За прошедшее десятилетие из донных отложений и морских вод Арктики и Антарктики выделено и описано много новых родов психрофилов и психротрофов семейства Flavobacteriaceae: Bizionia, Gelidibacter, Gellisia, Lacinutrix, Subsaxibacter, Subsaximicrobium (Bowman et al., 2006), Pricia (Kämpfer et al., 2009) и Chryseobacterium (Bajerski et al., 2013). Характерной особенностью их клеточных жирных кислот является преобладание iC_15:0 (5–50%), iC_15:1 (4–23%), aiC_15:0 (3–20%), aiC_15:1 (1–18%) и iC_17:0 (0–15%).

Методом полимеразной цепной реакции исследованы фрагменты тотальной ДНК in situ бентосных сообществ меромиктических озер и морских фьордов восточной Антарктики (Bowman et al., 2000a). В сообществах преобладали (36.0% всех клонов) грамположительные филоптипы с низким Г + Ц в ДНК, включая представителей класса “Clostridia”, но не прослеживалось четкой связи с культивируемыми видами. Описано несколько психрофильных клостридий в Антарктических микробных матах с температурным оптимумом роста в диапазоне 4–16°С с временем удвоения 8–34 ч (Spring et al., 2003). Все штаммы ферментируют глюкозу, фруктозу, инулин и ксилозу, в составе клеточных жирных кислот содержат преимущественно С_16:1 (52–64%) и С_14:0 (17–29%).

Исследовано распределение 16S рРНК клонов среди бактериальных и архейных филогенетических групп в осадках трех гипергалинных Антарктических озер (Bowman et al., 2000b).Осадки Глубокого озера (глубина 36 м) характеризовались высокой соленостью (32%), низкой среднегодовой температурой (–15°С), рН 7.3–7.4 и аэробным режимом с Eh +360 мВ, доминированием представителями экстремально галофильных видов порядка Halobacteriales, примыкающих к психротолерантному Halorubrum lacusprofundi, выделенного из рассолов этого озера (табл. 3) (Franzmann et al., 1988). В осадках Organic Lake (глубина 7.5 м, соленость 21%, среднегодовая температура –7°С, рН 6.9–7, Eh +120 мВ) преобладали клоны порядка Cytophagales, α- и γ-Proteobacteria. В теплых анаэробных донных отложениях Ekho Lake естественной гелиотермальной природы с 2 мг/л H₂S (глубина 40 м, соленость 15% у дна и 8% у поверхности, среднегодовая температура 15°С, Eh –160 мВ) явно доминировали клоны порядка Haloanaerobiales с низким Г + Ц в ДНК (33.4% клонов) и порядка Cytophagales. Ферментирующие галоанаэробы изолированы из различных засоленных теплых сред, но это первое сообщение об их массовом распространении в полярных регионах. Несмотря на наличие ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ H₂S и низкий окислительно-восстановительный потенциал в анаэробном гиполимнионе гелиотермального озера, сульфатвосстанавливающие бактерии в его грунтах практически не обнаруживались.

Психрофильные и психротрофные облигатно анаэробные, умеренно галофильные, нейтрофильные, сульфатвосстанавливающие Deltaproteobacteria удалось выделить из постоянно холодных Арктических морских иловых отложений (Свальбард, Норвегия) (Knoblauch et al., 1999). Для них исключительно важна роль температурного фактора, набор акцепторов и доноров электронов (табл. 3). Поэтому время удвоения у облигатно психрофильных видов Desulfotalea psychrophila, Desulfofaba gelida и Desulfofrigus oceanense (t_опт 8–10°С) варьирует в очень широком диапазоне, от 27 до 169 ч. Психротрофные виды Desulfofrigus fragile и Desulfotalea arctica (t_опт 18°С, t_макс 27°С), использующие в качестве акцепторов электронов исключительно ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ а в качестве доноров электронов предпочтительно пируват, размножаются значительно быстрее (19–33 ч). Описанные изоляты существенно различаются и по составу клеточных жирных кислот: у наиболее психрофильного D. gelida преобладают С_15:0 и С_15:1, у психротрофного D. arctica – С_16:1 (87%).

При дефиците ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ в анаэробных грунтах доминирующим терминальным процессом деструкции органического вещества становится метаногенез. Важную роль в регуляции метаногенеза на уровне сообщества играет конкуренция между гомоацетатными бактериями и метаногенными археями. Метаногенез доминирует при низкотемпературном использовании метиламинов и H₂ (ниже 15°С), а ацетогенез при низкотемпературном использовании хаотропов – метанола и фруктозы (табл. 3).

Все гомоацетатные бактерии, выделенные из низкотемпературных почв тундры, иловых осадков болот и таежных прудов-отстойников, принадлежат к психротрофным видам одного рода Acetobacterium без принципиальных филогенетических различий 16S рРНК генов с мезофильными видами (Kotsyurbenko et al., 1995; Simankova et al., 2000). Полагают, что адаптация к низкотемпературным условиям у психротрофных гомоацетогенов является следствием фенотипических изменений.

Аналогичное близкое филогенетическое родство с мезофильными видами имеют и психротрофные C₁-метаногены родов Methonococcoides, Methanosarcina, Methanolobus (Franzmann et al., 1992; Singh et al., 2005; Zhang et al., 2008). Они обладают широким температурным интервалом роста и оптимумом, существенно превышающим температурные условия in situ. Впервые психрофильный H₂-использующий метаноархей Methanogenium frigidum (t_опт 15°С) был изолирован из постоянно холодного аноксичного гиполимниона Ace Lake (Антарктика) (Franzmann et al., 1997). Этот медленно растущий психрофильный вид (время удвоения 70 ч) является нейтрофилом и слабым галофилом, формирует единый кластер с мезофильным Methanogenium organophilum, но удаленный и от психротрофного кластера Methanococcoides/Methanosarcina, и от гипертермофильного кластера Methanopyrus kandleri/Methanococcus jannaschii (Cavicchioli et al., 2000). Эти особенности в адаптивности психрофильных, психротрофных и гипертермофильных представителей Euryarchaeota связывают в основном с различиями в составе и строении ферментов теплового и холодового шока, мембранных фосфолипидов и температурных оптимумов полимеразной активности.

Среди Betaproteobacteria известно небольшое число культивируемых психрофильных видов (Irgens et al., 1996; Madigan et al., 2000; Shen et al., 2015). По морфо-физиологическим, хемотаксономическим и генотипическим признакам они представляют довольно гетерогенный субфилум. У них в широком диапазоне варьируют содержание Г + Ц в ДНК (52–69 мол. %) и время удвоения численности клеток (20–72 ч), в жирнокислотном профиле обычно преобладает С_16:1 (40–75% в сумме ЖК). Облигатно психрофильная Polaromonas vacuolata, изолированная из арктических морских вод, является облигатно аэробным гетеротрофом (табл. 3) (Irgens et al., 1996). В отличие от пигментированных штаммов с низким Г + Ц в ДНК (31 мол. %), на агаре формирует белые колонии палочковидных клеток с крупными газовыми вакуолями. Умеренно психрофильная пурпурная несерная бактерия Rhodoferax antarcticus (t_опт 15–18°С, t_макс 25°C), изолированная из антарктических микробиальных матов, содержит бактериохлорофилл а (Madigan et al., 2000). При аноксигенном фотогетеротрофном росте время удвоения составляет 20 ч при 15°С, но 245 ч – при 0°С и 60 ч – при 25°С. Другая умеренно психрофильная нитратвосстанавливающая β-Proteobacteria Massilia eurypsychrophila (t_опт 10°С, t_макс 25°C), изолированная из морских льдов, в качестве основных полярных липидов синтезирует DPG, PE, PG и ряд неизвестных фосфолипидов (Shen et al., 2015). Многие представители класса Betaproteobacteria являются мезофильными железоокисляющими аэробами, широко распространенными в пресноводных экосистемах, но не были обнаружены в холодных железистых осадках Тихого океана (Irgens et al., 1996; Madigan et al., 2000; Shen et al., 2015).

Среди культивируемых облигатных психрофилов, циркулирующих в холодных почвах, льдах, морских осадках и водах полярных регионов, явно преобладают представители класса Gammaproteobacteria. Несколько психрофильных видов обнаружено среди уникальной специализированной группы нейтрофильных метанотрофных бактерий семейства Methylococcaceae, в частности, Methylosphaera hansonii из хемоклина антарктического Ace Lake (Bowman et al., 1997a); семейства Moraxellaceae галотолерантный Psychrobacter glacincola из антарктического морского льда (Bowman et al., 1997b); порядка Oceanospirillales семейства Halomonadaceae гало- и алкалотолерантный полиэкстремофил Halomonassub glaciescola (Franzmann et al., 1987); семейства Oceanospirillaceae пьезофильный Profundimonas piezophila c глубины 6000 м впадины Пуэрто-Рико (Cao et al., 2014) и семейства Vibrionaceae пьезотолерантный Photobacterium profundum из осадков с глубины 5110 м Японского моря (Nogi et al., 1998). P. piezophila растет в диапазоне гидростатического давления 20–70 МПа, оптимально на богатых питательных средах при 8°С и 50 МПа, но с низкой скоростью: время генерации более 41 ч. Этот факультативно анаэробный гетеротроф, кроме ЖК и АК, способен утилизировать гексадекан и некоторые другие углеводороды, в качестве альтернативных акцепторов электронов может использовать O₂, ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ и ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}.$ В составе клеточных жирных кислот (как у Halomonas и Psychrobacter) преобладают мононенасыщенные С_18:1 и С_16:1. Photobacterium profundum быстро растет (время генерации 2–3 ч) при окислении и ферментации углеводов и глицерина в диапазоне гидростатического давления 0.1–70 МПа (несколько активнее при 10 МПа и 10°С). От многочисленных родственных видов (оптимумы их роста при 0.1 МПа, 18–26°С) он отличается своеобразием состава ЖК: С_16:1 (32%), iС_16:0 (15%), С_20:5 (13%), С_16:0 (9%) и С_18:1 (9%). Причем при t_опт 10°С с повышением гидростатического давления от 0.1 до 50 МПа в составе ЖК увеличивается содержание С_20:5 и снижается С_16:1.

Наибольшее количество культивируемых психрофильных видов детектировано в составе различных родов семейства Alteromonadaceae: Colwellia, Shewanella, Moritella, Psychromonas, Marinobacter, Glaciecola, Paraglaciecola. Из арктических и антарктических морских осадков, льдов, интерфазы лед/морская вода была изолирована группа видов рода Glaciecola, различающихся по составу используемых субстратов. Сначала они были охарактеризованы на основе полифазной таксономии. Затем их таксономический статус был пересмотрен и уточнен путем сравнения последовательностей 16S рРНК, фермента гиразы GyrB, списка характерных специфических сигнатур и по уровню ДНК–ДНК-гибридизации (Shivaji, Reddy, 2014). Установлено расщепление эволюционной линии при кладогенезе, в результате которого сформировались два рода: Glaciecola (3 вида из антарктических морских льдов G. pallidula, G. nitratireducens, G. puniceae) и Paraglaciecola (8 преимущественно арктических видов P. arctica, P. psychrophila, P. aquimarina, P. mesophila, P. polaris, P. oceanifecundans, P. chathamensis, P. agarilytica).

Бактериальное сообщество холодных осадков и вод глубоководной зоны представлено преимущественно быстро растущими (время генерации 3–7 ч) психрофильными пьезофилами родов Colwellia, Moritella, Shewanella и Psychromonas (табл. 3). Характерной особенностью глубоководных видов Shewanella и Psychromonas является наличие в составе клеточных жирных кислот полиненасыщенной С_20:5 (1–27%) (Nogi, Kato, 1999; Fang et al., 2003), видов Colwellia и Moritella – С_22:6 (1–12%) (Bowman et al., 1998; Nogi et al., 2004). Продукция ЖК была наибольшей (24–27 мг/г сухой массы клеток) у пьезотолерантных и умеренно пьезофильных психрофилов при гидростатическом давлении 10–50 МПа, но низкой (2–3 мг/г) у гиперпьезофилов при 85–100 МПа (Fang et al., 2003; Fang et al., 2010). При этом психропьезофилам свойственно обилие ненасыщенных ЖК (62–78% в сумме ЖК), включая полиненасыщенные ЖК. Полагают, что биосинтез полиненасыщенных С_20:5 и С_22:6 регулируется через образование и десатурацию ди- и триненасыщенных С_18:2 и С_18:3.

Синхронное действие температуры, солености и гидростатического давления рассмотрено на примере штаммов Halomonas (H. meridiana, H. hydrotermalis), изолированных из низкотемпературных гидротермальных флюидов Гавайского архипелага с глубины 2580 м с температурой 9°С (Kaye, Baross, 2004). Эти психро-, гало- и пьезотолерантные штаммы растут наиболее быстро (время генерации 2–4 ч) при 30°С, 4% NaCl и 0.1 МПа, в составе клеточных ЖК содержат в основном С_18:1 (67%), С_16:0 (18%) и С_16:1 (12%). При 30°С, но при повышении давления до 45 МПа и общей солености до 11% они увеличивают содержание С_18:1 до 77%, но понижают С_16:0 до 10% и С_16:1 до 8%. При 2°С штаммы лучше растут при сочетании 0.1 МПа и 11% солей. Кроме того, небольшой локальный пик роста отмечен при 2°С, 20–30 МПа и 17% солей.

Скорость репродукции в зависимости от температуры и давления (t–P) исследована у пьезофильных морских бактерий, изолированных из холодных придонных вод Тихого океана с глубин от 1957 до 10 476 м с температурой 2–4°С (Yayanos, 1986). На глубинах до 2000 м распространены слабо барофильные и небарофильные, психрофильные и психротрофные бактерии. На средних океанических глубинах ≈3800 м доминируют пьезофильные бактерии (P_опт 30–50 МПа), причем преимущественно облигатные психрофилы с минимальными значениями t_опт 4–10°С, обладающие повышенной скоростью роста (время генерации 3–7 ч). На глубинах 6000–10 000 м распространены облигатные пьезофилы (P_опт 60–100 МПа), обладающие потенциальной возможностью размножаться даже при 130 МПа, но утратившие способность к репродукции при низких давлениях 0.1–20 МПа. Полагают, что водные массы, циркулирующие на больших глубинах полярных регионов Арктики и Антарктики, являются естественной кладовой пьезофилов и обеспечивают их распространение по пьезосфере Тихого океана. Этот вывод основан на результатах анализа филогении и структуры 16S рРНК пьезофилов различных географических регионов (Lauro et al., 2007). В частности, обнаружено закономерное увеличение длины определенных петель в генах 16S рРНК глубоководных штаммов γ-Proteobacteria. Удлинение спиралей в генах 16S рРНК улучшает функцию рибосом в глубоководных морских условиях. Тем самым, особенности структуры и функции генов 16S рРНК психрофильных пьезофилов отражают одновременно их филогению и адаптогенез.

В антарктических озерах психрофильные Gammaproteobacteria доминируют среди продуцентов антифризовых протеинов (АФП), обладающих способностью понижать точку замерзания водных растворов, модифицировать кристаллические структуры льда и препятствовать его рекристаллизации (Gilbert et al., 2004). Активные АФП обнаружены у 8 изолятов, у которых последовательности 16S рРНК достигали почти 100% сходства с Marinomonas protea (семейство Oceanospirillaceae), у 2 изолятов – с Pseudoalteromonas sp. (Alteromonadaceae), у отдельных изолятов – с Psychrobacter sp. (Moraxellaceae) и Halomonas sp. (Halomonadaceae). В пресноводных изолятах АФП не были найдены. Недавно открыты два класса новых активных АФП: умеренные АФП с молекулярным весом 3–7 кДа из приполярных рыб и гиперактивные с молекулярным весом 58 кДа, в частности, из антарктической Marinomonas primoryensis (Oceanospirillaceae) (Scotter et al., 2006). Бактериальные АФП в 10–100 раз активнее, чем АФП из рыб. При неравновесной температуре ниже точки замерзания водных растворов в “холодных ловушках” могут мгновенно формироваться ледяные кристаллы: с АФП из рыб – бипирамидальные (веретеновидные), с АФП из M. primoryensis – гексагональные. Очищенные капсульные антифризовые экзогликопротеины Colwellia psychrerythraea 34H с криопротекторной функцией дополнительно содержат 4 амина (сахаров и уроновой кислоты) (Carillo et al., 2015). Активность аминопептидазных АФП из C. psychrerythraea 34H эффективно ингибируется комплексообразующим ЭДТА, ZnCl₂ и MnCl₂, но стимулируется хаотропными солями CaCl₂ и особенно MgCl₂ (Huston et al., 2004).

Облигатно психрофильный пьезофил C. psychrerythraea 34H утилизирует широкий спектр органических субстратов, включая высокомолекулярные полимеры биологического происхождения с помощью экзоферментов, в частности, казеин, хитин и его производное N-ацетилглюкозамин (NAГ) (Huston et al., 2000). Их протеазы, хитиназы и хитобиазы активны при низких температурах ≈2°С и детектированы в пробах морского, материкового и подземного льда. Из глубоководных осадков и льдов было выделено несколько психрофилов, разлагающих белки, полипептиды, казеин, хитин, крахмал, желатин, ксилан, ламинарин и углеводороды. Среди них виды Colwellia, Schewanella, Paraglaciecola, Profundimonas, Polaromonas, Psychromonas, Maribacter и Flavobacterium (табл. 3). Гидролитические ферменты психрофилов (по сравнению с таковыми мезофилов) обладают повышенной конформационной гибкостью макромолекулярных структур, но пониженной стабильностью. Среди специфических структурных особенностей психрофильных ферментов отмечают повышенное содержание остатков гидрофобных аминокислот на их поверхности, экстремально слабую стабилизацию ионами кальция, низкое содержание остатков аргинина, которые способствуют нежелательному формированию солевых мостков и водородных связей, амино-ароматических взаимодействий. При низкой температуре в активность смеси ферментов вносят вклад все ферменты, тогда как при повышенной температуре активность смеси ферментов определяется наиболее термостабильными.

Продукция и состав экзополисахаридов (ЭПС) были изучены у двух штаммов рода Pseudoalteromonas, изолированных из морского льда Южного океана (Mancuso Nichols et al., 2004). Продукция ЭПС была примерно одинаковой при –2–10°С, но в 30 раз выше, чем при 20°С. Полианионные ЭПС состоят из нейтральных сахаров (50–74%), уроновых кислот (22–25%), сульфатов (5%) и протеинов (2–3%). Подобный состав имеют и нативные ЭПС модельной морской психрофильной бактерии C. psychrerythraea 34H, имеющей t_опт 8°С, при 40 МПа, оптимальную соленость 30–50‰ (Marx et al., 2009). Продукция ЭПС в диапазоне от –4 до 10°С в растущей культуре на среде с глюкозой в течение 4 сут сохранялась на одинаковом уровне, но в диапазоне от –8 до –14°С при остановке роста повышалась драматически: через 30 сут она увеличилась в 8–12 раз. Также в интервале от –1 до 8°С и низком давлении 0.1–20 МПа продукция ЭПС поддерживалась на сравнительно низком уровне, но повысилась в 5 раз при резком замедлении роста при –1°С и высоком давлении 40–60 МПа. Пятикратное усиление продукции ЭПС отмечено также в отсутствие роста в стационарной фазе в пресной среде при солености ≤10‰ и –1.1°С. Таким образом, определенные экстремальные условия при замедлении и прекращении роста C. psychrerythraea 34H стимулируют продукцию ЭПС при индуцибельных процессах вторичного метаболизма. Продукцию ЭПС в морских льдах с участием диатомовых водорослей и психрофильных бактерий считают одним из ключевых адаптивных ответов на понижение температуры ≤–1°С. ЭПС влияют на микроструктуру и физико-химические свойства льда, смягчают прямое воздействие солености, гидростатического давления и ультрафиолетовой радиации на клетки, блокируют вирусную атаку (Ewert, Deming, 2013).

Адаптивность психротрофов (t_опт ≤ 25°С), психрофилов (t_опт ≤ 15°С) и облигатных психрофилов (t_опт ≤ 10°С) в значительной степени обусловлена их способностью синтезировать специфичные белки холодового шока – БХШ (CSP – Cold shok protein) и белки, индуцируемые холодом – БИХ (CIP – Cold inducible protein) (Ermolenko, Makhatadze, 2002; Bakermans et al., 2007). Их активность в холодной нейтральной среде (рН_опт 6.5–7.5) достигается прежде всего за счет снижения энергии активации. Они влияют на энергетические процессы и метаболизм клетки, на синтез протеинов и рибосомальную трансляцию, на текучесть клеточных мембран и активный транспорт, в частности, на перенос ионов железа через мембрану для усиления роста Psychrobacter cryohalolentis K5 при –4°С. Продукция БХШ и БИХ в ответ на холодовой стресс существенно повышается в поздней фазе экспоненциального роста. Маленькие гомологичные БХШ (65–70 аминокислотных остатков) найдены в холодных экосистемах у психрофильных и мезофильных бактерий различных таксономических групп, но не обнаружены у патогенов, термофильных и гипертермофильных архей.

Количество генов БХШ в геномах психрофилов и психротрофов широко варьирует: 12 у Psychromonas ingrahamii, 8 – у Photobacterium profundum, 6 – у Shewanella violaceae, 4 – у Colwellia psycherythreae 34H, по 3 – у Halorubrum lacusprofundi, Methanococcoides burtonii и 1 – у Flavobacterium psychrophilum (Siddiqui et al., 2013). Причем эти морские психрофильные микроорганизмы имеют низкое значение Г + Ц в ДНК 37–48 мол. % и большой по размеру геном 2.58–6.40 м.п.н.: величиной 6.40 м.п.н. у Ph. profundum, 5.37 м.п.н. – у C. psychrerythreae 34H, 4.96 м.п.н. – у S. violaceae, 4.56 м.п.н. – у Ps. ingrahamii, 2.86 м.п.н. – у F. psychrophilum и 2.58 м.п.н. – у M. burtonii. Следовательно, крупноразмерные геномы с большим количеством генов БХШ отражают их адаптивность за счет генотипических свойств и повышенный потенциал к видообразованию.

Анализ лимитирующих физико-химических условий обитания полиэкстремофилов в условиях холода на Земле позволяет предполагать существование жизни и на других космических объектах Вселенной (Siddiqui et al., 2013; Martin, McMinn, 2017). В пределах Солнечной системы теоретически не исключена криожизнь прежде всего на Марсе, Европе (спутнике Юпитера) и Энцеладусе (спутнике Сатурна). В атмосфере Европы и Энцеладуса (температура от –171 до –198°С) предположительно содержатся пары воды, O₂, N₂, CO₂ и CH₄, а под ледяной оболочкой находятся подповерхностные соленые океаны. Учитывая сложные связи энергии, материи и системной информации, криожизнь там могла зарождаться наиболее вероятно на основе генетического кода, подобного земному, но криобиологические процессы происхождения и эволюции гипотетических прокариотических клеток могли осуществляться иными путями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленном обзоре рассмотрены достижения последних десятилетий в исследовании адаптивности культивируемых моно- и полиэкстремофилов. Особое внимание уделено изучению их способности к адаптации при наложении одновременно нескольких физико-химических параметров внешней среды, в частности, у пьезофильных психрофилов и (гипер)термофилов.

Отмечено, что психрофильные гетеротрофные бактерии в ответ на сублетальное понижение температуры аккумулируют хаотропные вещества (глицерин, фруктозу, MgCl₂, CaCl₂), повышают конформационную гибкость макромолекул и содержание ненасыщенных жирных кислот, синтезируют мембран-ассоциируемые гликопротеины, антифризовые протеины и группу белков общего стрессового ответа. Показано, что адаптивность психрофилов и психротрофов в значительной степени обусловлена их способностью синтезировать в фазе экспоненциального роста специфичные белки холодового шока и белки, индуцируемые холодом. Во льдах при прекращении роста они включают процессы вторичного метаболизма, начинают активно синтезировать экзополисахариды. ЭПС вызывают изменение микроструктуры и физико-химических свойств льда, блокируют вирусную атаку, смягчают негативное воздействие гидростатического давления, солености и ультрафиолета на клетки. Морские психрофилы имеют большой по размеру геном 2.58–6.40 м.п.н.. Количество генов БХШ в их геномах широко варьирует, от 12 у Psychromonas ingrahamii до 1 у Flavobacterium psychrophilum. Эти показатели, вероятно, отражают их адаптивность за счет генотипических свойств и повышенный потенциал к видообразованию.

Напротив, археи термоацидофилы и гипертермофилы имеют небольшой по размеру геном 0.49–2.99 м.п.н., соразмерный с маленькими геномами паразитических микроорганизмов, митохондрий, плазмид и ДНК-вирусов. Они обладают высоким внутривидовым сходством нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. Малоразмерные редуцированные геномы этой группы архей, по-видимому, связаны общей эволюционной историей, обусловлены фенотипическими изменениями при адаптации к определенным экстремальным экосистемам. Их осмопротекторы представлены разнообразными органическими соединениями (TRE, DIP, αMG, αdiGP, Cyc-diPG, εAch). Эти гиперосмолиты, возможно, выполняют роль и термопротекторов. В составе их мембранных липидов преобладают С_40:ХС_40:Y тетраэфиры с различным числом (X, Y) циклопентановых колец. Тогда как мембранные липиды алкалотолерантных галофилов и нейтрофильных метаногенов филума Euryarchaeota с большим по размеру геномом 2.57–5.75 м.п.н. состоят в основном из С₂₀С₂₀ археольных дифитанилглицериновых диэфиров.

Рассмотрена адаптация экстремофилов к вирусам, описана CRISPR-Cas система, обладающая гипотетической функцией противовирусного иммунитета. Отмечено широкое распространение вирионов в наземных и морских экосистемах, особенно в районах океанических гидротерм и в морских льдах полярных регионов.

Дальнейшие экофизиологические исследования экстремофилов перспективны для решения актуальных проблем происхождения и эволюции живой клетки, для практического использования активных ферментов полиэкстремофилов, для геомикробиологии, криобиологии и астробиологии.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания, номер госрегистрации темы 01201353247.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит каких-либо материалов исследований с использованием животных в качестве объектов.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Автор заявляет, что нет конфликта интересов.