Introduktion
Luk øjnene og forestil dig bakterier. Måske forestiller du dig vores tarm Escherichia coli, eller de skinnende gyldne kugler af stafylokokker, eller proptrækkende ringlets af borreliose spirochetes. Uanset arten og dens form, er chancerne for, at dit sind fremtryller en enkelt celle eller måske flere fritlevende celler.
Problemet med dette billede, siger mikrobiologen Julia Schwartzman, er, at det ikke afspejler, hvordan de fleste bakterier sandsynligvis vil leve. Ofte bruger bakterier klæbrige molekyler til at forankre sig til en overflade, der vokser ind store, stabile kollektiver kaldet biofilm. Plakken på dine tænder er en biofilm; det samme er infektioner på katetre, det slimede grønne af damskum og snavset, der tilstopper dit badekars afløb.
Men Schwartzmans seneste arbejde, som hun udførte som postdoc i laboratoriet af Otto Cordero ved Massachusetts Institute of Technology, viser, at selv bakterier, der flyder i det åbne hav, og som mangler et forankringspunkt til dannelse af store konglomerater, findes i flercellede former.
"Vi så disse strukturer, der bare var utrolige," sagde hun.
Som Schwartzman, Cordero og deres kolleger viste i deres nyligt papir i Current Biology, opstod disse flercellede former, fordi bakterierne udviklede en livscyklus langt mere kompleks, end man normalt ser hos encellede organismer.
Selskab til middag
Schwartzman kom til disse opdagelser om multicellularitet i marine bakterier, mens han forsøgte at lære om noget mere fundamentalt: hvordan de spiser.
I det åbne hav er den eneste energikilde for marine mikrober ofte et gelatinøst kulhydrat kaldet alginat. I modsætning til glucose, fruktose og andre simple sukkerarter, der let kan krydse en cellemembran, består alginat af lange, snoede tråde, der ofte er større end de bakterier, der spiser på dem. Schwartzman ville vide mere om, hvordan bakterierne fester effektivt, da de fordøjelsesenzymer, de udskiller for at nedbryde alginatet, nemt kunne fortyndes og fejes væk i det åbne hav.
Derfor begyndte hun og Ali Ebrahimi, en anden postdoc i Corderos laboratorium, at måle væksten af den selvlysende marine bakterie Vibrio splendidus i kolber med varm bouillon fyldt med alginat. I mange mikrobiologiske eksperimenter forsyner forskere mikrober med et smørebord af næringsstoffer for at tilskynde cellerne til at dele sig så hurtigt som muligt, men Schwartzman og Ebrahimis kolber tvang Vibrio bakterier til at leve af relativt små mængder af overdimensionerede alginatpolymerer, ligesom de gør i havet.
Men da Schwartzman begyndte at indsamle data, troede hun, at hun havde lavet en nybegynderfejl. Efterhånden som bakterier formerer sig, forvandler de den klare, ravfarvede kulturbouillon til en grumset gryderet. Ved at måle uklarheden kunne Schwartzman ekstrapolere antallet af mikrober i kolben og konstruere en vækstkurve for at estimere, hvor hurtigt cellerne delte sig. Bakteriologer har estimeret vækstrater på denne måde i årtier. Som postdoc havde Schwartzman mistet tællingen på, hvor mange gange hun havde gjort dette gennem årene.
Vækstkurven for hende Vibrio kulturer viste dog ikke den sædvanlige jævnt stigende linje, men snarere en ujævn krølle som sporet af en rutsjebane. Uanset hvor mange gange hun gentog processen, producerede bakterierne ikke den forventede uklarhed i bouillonen.
En mikroskopisk snekugle
For at kontrollere, hvad der foregik, deponerede Schwartzman en dråbe af kulturopløsningen på et mikroskopobjektglas og kiggede gennem linsen med 40 gange forstørrelse. Det, hun og Ebrahimi så, var ikke sværme af individer Vibrio men temmelig smukke, lagdelte kugler bestående af hundreder eller tusinder af bakterier, der lever sammen.
"Det var ikke bare en klat bakterier," sagde Schwartzman. "Det er en sfærisk ting, og du kan se cellerne blandes i midten."
Yderligere arbejde viste, at de hule kugler var Vibrio's løsning på den komplicerede udfordring med at spise på havet. En individuel bakterie kan kun producere så meget enzym; nedbrydning af alginat går meget hurtigere når Vibrio kan klynge sammen. Det er en vindende strategi, siger Schwartzman - op til et punkt. Hvis der er for mange Vibrio, overgår antallet af bakterier det tilgængelige alginat.
Bakterierne løste gåden ved at udvikle en mere kompleks livscyklus. Bakterierne lever i tre forskellige faser. Først deler en individuel celle sig gentagne gange, og dattercellerne klemmer sig sammen i voksende klumper. I anden fase omarrangerer de sammenklumpede celler sig til en hul kugle. De yderste celler limer sig sammen og danner noget, der ligner en mikroskopisk snekugle. Cellerne indeni bliver mere mobile og svømmer rundt, mens de indtager det fangede alginat. I den tredje fase brister det skøre ydre lag og frigiver de velnærede indre celler for at starte cyklussen igen.
Træde i kræft, Vibrio blive en heterogen blanding af celler, hvor bakterierne bruger forskellige gener til at kontrollere deres adfærd i hver fase. Når cellerne interagerer med deres naboer i strukturen, er det, der dukker op, "en overraskende mængde kompleksitet," sagde Schwartzman, der lancerer sit eget laboratorium ved University of Southern California i januar. "Bakterierne tager konstant information ind fra deres miljø, og nogle gange reagerer de på måder, der ændrer miljøet."
Denne kompleksitet betaler sig Vibrio på flere måder. Ved at ændre deres livscyklus til at omfatte et flercellet stadium, kan bakterierne fordøje alginatet effektivt: Deres antal stiger, og den hule skal hjælper med at koncentrere enzymerne. I mellemtiden forhindrer strukturen i samfundet for mange celler i at blive født. Cellerne i skallen mister muligheden for at formere sig, men deres DNA lever alligevel videre i næste generation, da alle cellerne i kuglen er kloner.
Hvor almindelig er flercellethed?
Værket er "et smukt papir", ifølge Jordi van Gestel, der studerer udviklingen af mikrobiel udvikling ved European Molecular Biology Laboratory og ikke var involveret i forskningen. Van Gestel siger, at resultaterne styrker ideen om, at mikrobiel gruppeliv langt fra er undtagelsen er normen.
"Det illustrerer smukt kompleksiteten af livscyklussen i så simple bakterier," sagde han.
Anahit Penesyan, en mikrobiolog ved Macquarie University i Australien, siger, at Schwartzman og Corderos arbejde byder på en nyttig udfordring til forforståelser om bakterier. "Det er indgraveret i vores forståelse, at en mikrobe kun er en enkelt celle," sagde hun, og som en konsekvens leder forskere ofte ikke efter kompleks adfærd, der kan dominere mikrobielt liv. "Det er som at se på et plantefrø eller en spore og prøve at udlede, hvordan hele planten er."
Den nye Vibrio fund føjer til en voksende liste af mikrober, der kan blive flercellede i mindst en del af deres liv. Sidste år rapporterede forskere ved Georgia Institute of Technology, at encellede gærarter i deres laboratorium udviklede en stor flercellet form på kun to år. Og i oktober, forskere i Japan annonceret deres opdagelse af bakterier, der vokser til flercellede strukturer på hulernes vægge; når klipperne er nedsænket af underjordiske vandløb, udstøder strukturerne specialiserede celler som frø for at kolonisere andre steder.
Schwartzman og van Gestel mener begge, at en evne til flercellethed udviklede sig tidligt i livets historie og deles med bakteriers gamle fætre, archaea, som også virker encellede. De tror, det kun er et spørgsmål om tid, før forskerne finder andre arter med lignende egenskaber - og Schwartzman er allerede begyndt at lede.
James Shapiro, en pensioneret mikrobiolog fra University of Chicago, er ikke i tvivl om, at hun vil finde det.
Begyndende i 1980'erne, Shapiro og andre mikrobiologiske armaturer som f.eks Bonnie Bassler ved Princeton University viste, at den encellede livsstil af velundersøgte bakterier ofte var en artefakt af de kunstige kolbemiljøer, hvor de blev dyrket. I en 1998 artikel i Årlig gennemgang af mikrobiologi, hævdede Shapiro, at bakterier ikke er encellede enspændere. "Jeg kom til den konklusion, at stort set alle bakterier er flercellede organismer," sagde han.
I løbet af sin karriere på fire årtier så Shapiro sin hypotese forvandle sig fra næsten kættersk til uomtvistelig. "I begyndelsen fik jeg bare forvirret opmærksomhed, men nu er det blevet til konventionel visdom," sagde han. "Multicellularitet er en iboende egenskab af bakterier."
Redaktørens note: Cordero er meddirektør for Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Forskningen fra Schwartzman, Cordero og deres kolleger blev støttet gennem dette samarbejde af Simons Foundation, som også sponsorerer dette redaktionelt uafhængige magasin.
