Ирина Годунова, кандидат биологических наук
Трудно поверить, но не только у человека сложные взаимоотношения с вирусами. Вирусы специфичны и паразитируют только на определенных хозяевах - у растений свои вирусы, они могут провоцировать потерю окраски у листьев или цветков. У животных тоже свои, и их великое множество. Даже у одноклеточных есть специфические вирусные формы: у дрожжей - миковирусы, у бактерий - бактериофаги.
Вирусы очень странная форма существования! Их нельзя назвать живыми существами - это не клетка, они не способны делиться, у них нет метаболических систем. Только макромолекулы ДНК или РНК - хранители генетической информации, покрытые белковой оболочкой, иногда, с вкраплениями липидов.
Размеры вирусных частиц, очень разные от 16 до 200 нм - они не видны в световой микроскоп, в отличии от большинства дрожжей и бактерий.
В среднем, линейные размеры бактерий - 0,5–3 мкм, а клеток дрожжей - 5-10 мкм.
Для справки: мкм = 1 тысячная часть мм, а нм - 1 миллионная часть мм.
Вирусы не умеют делиться. Себе подобных они собирают, в соответствии с собственной генетической информацией (ДНК, РНК), на «оборудовании» клетки-хозяина.
Никто точно не знает сколько вирусных разновидностей существует в природе, но ученые считают, что счёт идёт на миллионы.
Это очень древняя форма. Насколько древняя и откуда они взялись сказать пока трудно - их остатки не сохраняются, как у животных или растений.
И возникает вопрос: «Зачем они нужны?». У каждого организма на планете есть своя миссия, своё место в круговороте веществ.
Какая же роль у вирусов?
У ученых есть теория на этот счёт. Возможно, что суммарный вирусный геном - огромный банк генетической информации, которая может передаваться между живыми формами жизни.
Вирусы могут осуществлять горизонтальный перенос генетических данных - не от родителей к детям (это вертикальный перенос), а между не родственными особями, возможно, относящимся к разным видам, родам и семействам. Сейчас есть предположение, что Covin 19 тоже рекомбинантный вирус, который вместе с частью чужеродного генома. получил дополнительную вредоносность.
На самом деле, в природе, в процессе эволюции, такой перенос информации обычное дело - какие-то биологические структуры получают дополнительные преимущества, для других такое "усовершенствование" становится фатальным, и они исчезают с лица Земли, выбраковываются естественным отбором.
Наш, человеческий геном когда-то давно, тоже приобрёл генетический материал вирусов.
В 1963 году двумя учеными - Bevan и Makower была опубликована работа, где говорилось о том, что некоторые из наших любимых Saccharomyces cerevisiae могут продуцировать токсины - белковой и гликопротеидной природы, которые убийственно действуют на соседей.
Присутствие таких агрессоров в чане могло снизить численность рабочих дрожжей и полностью остановить алкогольное брожение.
Исследования продолжались, и в 1973 году было заявлено, что в клетках дрожжей, которые продуцировали токсины, обнаружены двухцепочечные (ds)РНК-вирусы (Bevan, Herring, Mitchell 1973).
Клетки Saccharomyces cerevisiae, которые были снабжены чужим генетическим материалом, могли синтезировать по вирусной матрице, токсины-убийцы (микоцины), которые очень успешно уничтожали конкурентов, не принося вреда клетке-хозяину.
Дрожжей-агрессоров окрестили «Киллерами».
Механизм функционирования таких дрожжевых клеток активно изучается все эти годы, и ученые обнаружили массу интересных подробностей. Оказалось, что в дрожжевой киллер-клетке работает не один вирус. Они действуют парами, а значит, прошли длительный этап коэволюции и идеально подходят друг к другу: вирусы-помощники (L-A), которые отвечают за синтез белковой оболочки вируса, и вирусы-сателлиты (М1, М2, М28 и Mlus), непосредственно обеспечивающие производство токсинов (К1, К2, К28 и Klus) и формирование автоиммунитета.
Способность производить токсины была констатирована не только у Saccharomyces, но и у представителей других родов дрожжей, занимающих различные экологические ниши: Hanseniaspora, Pichia, Torulaspora, Ustilago, Williopsis.
Клетки, не инфицированные вирусами особенно восприимчивы к действию токсинов - у них нет иммунитета. Это, так называемые, «Чувствительные» дрожжи. Ведь именно вирус защищает клетку, которая дала ему кров, от собственного яда и от токсической атаки соплеменников. Если дрожжевая клетка заражена другим вирусом, она будет ощущать негативное воздействие чужого токсина, но не так остро, как интактные, не зараженные организмы.
Механизм действия токсинов может быть разным - повреждается целостность клеточной оболочки или нарушаются процессы дыхания, часто блокируется деление клетки. Но результат один - клетка погибает, освобождая место более удачливым конкурентам за пищу и жизненное пространство.
В природных условиях при изменении рН среды, температуры, влажности, дрожжи-киллеры могут потерять свой статус убийцы, но могут сохранить иммунитет. Тогда возможно, они приобретут фенотип «Нейтральных» дрожжей, и станут невосприимчивы к некоторым ядам.
Интересно, как распространяются эти миковирусы. Оказалось, что они не могут жить вне клеток дрожжей (как вирусы гриппа или короновирусы) и избрали собственную стратегию распространения.
Отчасти, это связано с довольно прочной клеточной оболочкой большинства дрожжевых клеток, через которую трудно проникнуть. Поэтому, распространение вирусных частиц происходит при почковании, причем, в большинстве случаев.
Или, гораздо реже, при слиянии (копуляции) двух клеток, то есть, при половом размножении. И если «Чувствительная» клетка при копуляции получила соответствующие вирусы, она становится «Киллером».
Ученые считают, что при брожении, 0,1% «Киллеров» в популяции дрожжей, способны уничтожить большинство не инфицированных клеток. В природе всегда так, когда невозможно поделить ресурсы и рассредоточиться, более слабые члены сообщества уничтожаются. В таких переселённых местах киллеров больше всего.
Микробиологи в курсе этих особенностей и используют полученные знания при создании коммерческих культур. В качестве родительских особей они используют представителей дрожжей с киллер-фенотипом.
Правильно приготовленная, активно размножающаяся, имеющая все необходимые пищевые ресурсы, популяция дрожжей-киллеров, при внесении в ферментатор, очень быстро вытеснит дикие дрожжи и обеспечит запрограммированный результат спиртового брожения.
В инструкции к культуре, всегда указывается при каких параметрах желательно проводить брожение для получения наилучших результатов. Нужно следить, чтобы Киллеры не растеряли свой агрессивный характер.
Но возможен и другой, противоположный вариант. Если коммерческая культура состоит из «Чувствительных» дрожжей, но закваска была подготовлена с нарушением технологических норм и количество активных делящихся клеток недостаточно, а в сусло попали дикие патогенные «Киллеры» - будущее вино может серьезно пострадать.
При остановке или вяло текущем брожении, наступает «безвластие», а значит, активизируется посторонняя микрофлора и результат будет зависеть от участников процесса.
Сейчас, ученые работают над выявлением дрожжевых культур, которые могут и не принимать участие в брожении, но способны защитить вино от патогенных микроорганизмов. Например, токсины Kluyveromyces wickerhamii могут активно бороться с Brettanomyces/Dekkera, которые вызывают целую гамму неприятных запахов в вине - тона скотного двора, лекарств, лака, мышки, окисленности и т.д..
Работа в этом направлении активизируется, так как, потребители озабоченны использованием серы в виноделии, а защита вину все же необходима.
Но не только дрожжи подвергаются вирусной атаке, У бактерий свои вирусы - фаги.
Молочная промышленность давно страдает от их нападок.
Бактериофаги были найдены и у молочнокислых бактерий, которые ответственный за яблочно-молочное брожение (ЯМБ или биологическое кислотопонижение или малолактика) в вине.
В 1976 году был обнаружен фаг, паразитирующий на Leuconostos oenophile (в новой классификации: Oenococcus oeni). Наблюдение за спонтанной малолактикой показало, что при наличии заражения фагом, нормально начавшийся процесс. замедляется и блокируется. Культура Oenococcus oeni постепенно замещается представителями рода Pediococcus. Это может вызвать негативные последствия - излишне поднимется уровень гистамина, вызывающего головную боль. И не только...
Различные штаммы О. oeni по-разному реагируют на вирусы. Поэтому, микробиологи при создании коммерческих культур молочнокислых бактерий, прежде всего, обращают внимание на фагоустойчивые штаммы.
Есть данные, что некоторые бактерии научились жить с фагами и получать от этого пользу. Исследования ведутся. и на рынке появляются более устойчивые и активные культуры молочнокислых бактерий.
Вирусы - уникальное создание природы и нам еще предстоит найти форму совместного существования и использовать их во благо.