Статья о роли нового биологического направления — микробной эндокринологии, посвященной исследованию эволюционно-консервативных химических факторов, выступающих как гормоны и/или медиаторы у высших животных и человека и в то же время как сигнальные молекулы — агенты межклеточной коммуникации в микробном и, в частности, в прокариотическом мире. Показано, что микробная эндокринология имеет существенное биомедицинское и биополитическое значение и в то же время способствует смене доминирующих биологических парадигм в следующих отношениях:1)все большее значение в эволюции жизни и ее происхождении отводится не биополимерам, а малым молекулам;2)преодолеваются дисциплинарные барьеры между биологией и социальными науками на основе изучения биосоциальных форм и факторов поведения (биосоциология, биополитика, социобиология и др.); 3)микробные объекты все чаще рассматриваются не как одноклеточные существа, а как компоненты колоний, представляющих аналоги многоклеточных организмов.
This paper concentrates on the implications of a novel subfield of biology, microbial endocrinology, which deals with conservative chemical factors functioning as hormones and/or neuromediators in higher animals and humans as well as intercellular communication agents in microorganisms. Microbial endocrinology has a considerable biomedical and biopolitical potential, and it has recently contributed to the following innovations in the biological paradigms: (1) modern biology attaches special attention to the evolutionary role of small molecules, such as inorganic compounds (CO, NO), anions (S2- , Sn2-, OH -, PO43-, etc.), and cations (Al3+, Mg2+, Mn2+, etc.), as well as simple organic substances including carbohydrogens, amines, and amino acids. Presumably, the emergence of life on Earth and the earliest stages of its evolution depended on the dynamic interplay of small-size molecules. Biopolymers became secondarily involved in the fine-grained regulation of life-sustaining and reproductive activities (which had originally depended on small molecules); (2) a large number of human human and non-human behaviors have turned out to depend, in part, on similar or even identical information-carrying substances (involved in the operation of the nervous, paracrine, and endocrine system). These facts have significantly contributed to the development of the conceptual basis of modern biopolitics, a subfield of life sciences dealing with the biological roots of social and political activities of Homo sapiens; (3) the life of unicellular creatures is considered from a biosocial perspective. For example, a microbial colony is envisaged as similar to a coherent multicellular organism or a "superorganism"
Тема настоящей работы — философско-методологическое значение современного биологического направления (имеющего биотехнологическое и биомедицинское значение) — микробной эндокринологии (Lyte, 1993). Это направление исследует роль внутриорганизменных сигнальных агентов (гормоны, медиаторы) высших животных и человека в клеточной дифференцировке, социальном поведении и коммуникации одноклеточных существ.
Микробная эндокринология служит логическим продолжением широкого фронта исследований на протяжении многих десятилетий, направленных на расширение круга биологических объектов, "охваченных" эндокринологическим подходом. Первоначально отнесенное к высшим животным и человеку, центральное понятие эндокринологии — гормон — оказалось, как известно, применимым к насекомым и другим беспозвоночным животным, а также к высшим растениям и водорослям.
Начало микробной эндокринологии было положено обнаружением у микроорганизмов соединений, идентичных или аналогичных гормонам животных. Например, инсулин был обнаружен во многих исследованных микроорганизмах. У Neurospora crassa инсулин принимает участие в регуляции метаболизма углеводов. Этот грибок содержит ген, гомологичный инсулиновому гену млекопитающих (Lenard, 1992). Другие гормоны, идентифицированные у микроорганизмов, включают кортикотропин (Tetrahymena pyriformis), соматостатин (Bacillus subtilis, простейшее Plasmodium falciparum), прогестерон (грибок Trychophyton mentagrophytes), а также a-фактор (дрожжи Saccharomyces cerevisiae), гомолог гонадотропин-высвобождающего гормона высших животных (Lenard,1992). Дальнейшие примеры приведены в таблице, суммирующей данные литературы.
Существенное значение, помимо данных об обнаружении тех или иных "животных" сигнальных агентов у про- или эукариотической микрофлоры, имеют также следующие факты: 1) обнаружение у микроорганизмов специфических рецепторов, с высоким сродством связывающих сигнальные вещества животных/человека (например, кортикостероид-связывающего белка у дрожжей Candida albicans, Lenard, 1992); 2) данные об эффектах в микробных системах гормонов и других внутриорганизменных сигнальных молекул. Так, прогестерон подавляет, а инсулин стимулирует рост штаммов микроскопического грибка Blakeslea trispora (Феофилова и др., 1997). Дополнительные примеры приведены ниже.
Особый интерес представляет микробиологическая роль нейромедиаторов (или нейротрансмиттеров) — передатчиков нервного импульса от клетки к клетке в нервной системе (серотонин, норадреналин, дофамин, окись азота, аспарагиновая и γ-аминомасляная кислоты и др.). Подобные агенты, как представляется вероятным в свете современных данных, опосредуют взаимодействие макро- и микроорганизма в ходе инфекционного процесса (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996); потенциальный интерес представляет их использование в качестве ростстимулирующих агентов в биотехнологической индустрии (например, серотонин ускоряет накопление дрожжевой биомассы, Страховская и др., 1991, 1993).
Отметим в порядке сопоставления, что серотонин, катехоламины, и ряд других нейротрансмиттеров синтезируются также многими растениями (Рощина, 1991); наряду с этим серотонин представляет близкий химический аналог ауксинов, одной из основных групп растительных ростовых гормонов.
Таблица 1. Синтез сигнальных веществ высших животных (гормоны, нейротрансмиттеры и др.) микроорганизмами (по данным работ: Мак-Мюррей, 1980; Hsu et al., 1986; Страховская и др., 1993; Lenard, 1993; Lyte, 1993; Zumft, 1993; Бабин и др., 1994; Budrene, Berg, 1995; Lyte et al., 1996; Олескин и др., 1998)
| Сигнальные вещества | Микроорганизмы |
| 1. Амины | |
| Серотонин | E. coli, Rhodospirillum rubrum, Streptococcus faecalis, Candida guillermondii, по-видимому, многие другие про- и эукариотические микроорганизмы |
| Норадреналин (норэпинефрин) | Патогенные штаммы (ЕНЕС 0157:Н7 и др.) E. coli. Примечание: эндогенный синтез не установлен. Есть данные (Lyte, 1993; Lyte et al., 1996) о специфической стимуляции роста и токсинообразования добавленным норадреналином |
| Гистамин | Симбиотическая микрофлора кишечника человека |
| Тирамин | То же |
| 2. Аминокислоты | |
| Аспарагиновая кислота | E. coli и др. компоненты симбиотической микрофлоры кишечника человека |
| Глутаминовая кислота | Симбиотическая микрофлора кишечника человека |
| γ-Аминомасляная кислота | То же |
| Сигнальные вещества | Микроорганизмы |
| β-Аланин | То же |
| 3. Пептиды | |
| Инсулин | E. coli, грибок Neurospora crassa, другие про- и эукариотические микроорганизмы |
| Кальцитонин | Инфузория Tetrahymena pyriformis |
| β-Эндорфин | T. pyriformis, Amoeba proteus |
| Глюкагон | Neurospora crassa |
| Гонадотропин | Pseudomonas maltophila |
| Гонадотропин-высвобождающий гормон (α-фактор) | Дрожи Saccharomyces cerevisiae |
| Релаксин | Инфузория T. pyriformis |
| Соматостатин | T. pyriformis, Plasmodium falciparum, E. coli, Bacillus subtilis |
| Тимозин α1 | T. pyriformis, Mycobacterium sp. |
| Тиротропин | Clostridium perfringens, Yersinia autolytica |
| 4. Стероиды | |
| Эстрадиол | Saccharomyces cerevisiae |
| Прогестерон | Дрожжи Candida albicans, Coccidioides immitis, грибок Trychophyton sp. |
| Метаболизированные производные желчных кислот | Симбиотическая кишечная микрофлора человека |
| 5. Неорганические соединения | |
| Окись азота | Pseudomonas stutzeri, Thiobacillus denitrificans, грибки Fusarium oxysporum, Dictyostellium discoideum и многие другие микроорганизмы |
Эволюционно-консервативный характер сигнальных молекул обусловливает все больший интерес к поиску универсальной для всего живого химической "грамматики" межклеточных взаимодействий различных типов — конкуренции и кооперации, когезии и взаимной изоляции клеточных клонов и т. д. По известной гипотезе А.М. Уголева (1987), эволюция на клеточном и молекулярном уровнях реализуется на основе многократного использования готовых блоков (в том числе и консервативных химических структур), которые приобретают в ходе эволюции все новые функции, но почти или вовсе не меняются в структурном плане. Отметим, что, например, ретиноевая кислота — важный фактор эмбриогенеза у дрозофилы, цыпленка, мыши и других животных — в то же время весьма сходна по химической структуре с триспоровыми кислотами отвечающими за дифференциацию гиф у микроскопических грибов (cм. Олескин, 1993).
Возникновение микробной эндокринологии (и в частности, исследование нейромедиаторов как факторов микробной коммуникации и дифференцировки) способствует радикальной перестройке парадигм современной биологии в следующих аспектах:
Подробнее рассмотрим эти аспекты смены биологических парадигм.
Происходящий в последние годы процесс смены концептуальных парадигм отражает изменение фундаментальных взглядов на живое, его происхождение и эволюцию. Еще совсем недавно молекулярные биологи, опьяненные успехами в изучении нуклеиновых кислот, полагали, что начало жизни на планете Земля совпадает с абиогенным синтезом первой молекулы ДНК (РНК?). Им возражали те, кто по-прежнему воспринимал как аксиому слова Ф. Энгельса о "жизни как способе существования белковых тел" и, соответственно, видел в белке начало всего живого (теория А. Опарина). В последние десятилетия накапливаются данные о том, что не белок и не ДНК/РНК, вероятно, положили начло доклеточным предшественникам современной жизни — гипотетическим пробионтам. Жизнь, что представляется все более правдоподобным в свете современных данных (ср. Mader, 1985; Harold, 1986), эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических). Это были ионы металлов (Fe2+, Zn2+, Al3+, Ni+, Cu 2+, Co 2+, Mg2+, Ca2+), соединения серы (дисульфиды, полисульфиды), фосфора (ортофосфат, пирофосфат, полифосфаты), азота (особенно NO и N2O), а также небольшие органические молекулы типа аминов (этаноламин, холин, гистамин и др.), аминокислот (особенно, глицин, глутамат, аспартат), углеводородов (например, этилен). Подобная гипотеза, постулируя вторичное возникновение биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) как более тонких регуляторов "игры" малых молекул, находится в соотвествии с данными об эволюционно консервативной природе биологически активных малых молекул, осуществляющих жизненно важные процессы в ныне существующих организмах в свободном (гормоны, феромоны, аттрактанты, репелленты, факторы внутри- и межклеточной коммуникации и др.) или в связанном состоянии (всевозможные кофакторы, активные группы ферментов и др.).