Sissejuhatus
Sulgege silmad ja kujutage ette baktereid. Võib-olla kujutate ette meie soolestikku Escherichia coli, või stafülokoki läikivad kuldsed pallid või puukborrelioosi spiroheedi korgitseri rõngad. Olenemata liigist ja selle kujust on teie vaimusilm tõenäoline ühe raku või võib-olla mitu vabalt elavat rakku.
Selle pildi probleem, ütleb mikrobioloog Julia Schwartzman, on see, et see ei kajasta seda, kuidas enamik baktereid tõenäoliselt elab. Sageli kasutavad bakterid kleepuvaid molekule, et kinnitada end pinnale, kasvades sisse suured, stabiilsed kollektiivid nimetatakse biofilmideks. Teie hammastel olev tahvel on biokile; nii on ka kateetrite infektsioonid, limane roheline tiigi saast ja vanni äravoolu ummistav mustus.
Kuid Schwartzmani hiljutine töö, mille ta viis läbi järeldoktorandina laboris Otto Cordero Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis, näitab, et isegi avaookeanis ujuvad bakterid, millel puudub suurte konglomeraatide moodustamiseks ankurduspunkt, eksisteerivad mitmerakulistes vormides.
"Me nägime neid struktuure, mis olid lihtsalt uskumatud," ütles ta.
Nagu Schwartzman, Cordero ja nende kolleegid näitasid hiljutine paber sisse Current Biology, tekkisid need mitmerakulised vormid seetõttu, et bakterite elutsükkel arenes välja palju keerulisema elutsükliga, kui seda tavaliselt nähakse üherakulistes organismides.
Seltskond õhtusöögiks
Schwartzman jõudis nende avastusteni merebakterite mitmerakulisuse kohta, püüdes õppida tundma midagi põhjapanevamat: kuidas nad söövad.
Avaookeanis on sageli meremikroobide ainsaks energiaallikaks želatiinne süsivesik, mida nimetatakse alginaadiks. Erinevalt glükoosist, fruktoosist ja muudest lihtsuhkrutest, mis võivad kergesti läbida rakumembraani, koosneb alginaat pikkadest keerdunud kiududest, mis on sageli suuremad kui neil einestavad bakterid. Schwartzman tahtis rohkem teada, kuidas bakterid tõhusalt toituvad, kuna seedeensüüme, mida nad alginaadi lagundamiseks eritavad, saab hõlpsasti lahjendada ja ära pühkida avatud ookeani vetes.
Sellepärast hakkas ta koos Cordero labori teise järeldoktori Ali Ebrahimiga mõõtma luminestseeruva merebakteri kasvu. Vibrio splendidus alginaadiga täidetud sooja puljongi kolbides. Paljudes mikrobioloogilistes katsetes varustavad teadlased mikroobe toitainetega, et julgustada rakke võimalikult kiiresti jagunema, kuid Schwartzmani ja Ebrahimi kolvid sundisid vibrioon bakterid elatuvad suhteliselt väikestes kogustes liiga suurtest alginaatpolümeeridest, nagu nad seda teevad meres.
Kui Schwartzman aga andmeid koguma hakkas, arvas ta, et on teinud algaja vea. Kui bakterid paljunevad, muudavad nad läbipaistva merevaiguvärvi puljongi häguseks hautiseks. Hägususe mõõtmisega sai Schwartzman ekstrapoleerida kolvis olevate mikroobide arvu ja koostada kasvukõvera, et hinnata, kui kiiresti rakud jagunesid. Bakterioloogid on aastakümneid sellisel viisil kasvumäärasid hinnanud. Järeldoktorina oli Schwartzman kaotanud arvestuse, mitu korda ta oli seda aastate jooksul teinud.
Tema kasvukõver vibrioon kultuurid aga ei näidanud tavalist sujuvalt tõusvat joont, vaid pigem konarlikku vingerdamist nagu rullnokkade rada. Ükskõik kui mitu korda ta protsessi kordas, ei tekitanud bakterid puljongis oodatud hägustumist.
Mikroskoopiline lumegloobus
Et kontrollida, mis toimub, asetas Schwartzman kultuurilahuse tilga mikroskoobi slaidile ja vaatas läbi läätse 40-kordse suurendusega. See, mida tema ja Ebrahimi nägid, ei olnud üksikisikuparved vibrioon vaid pigem ilusad kihilised kerad, mis koosnevad sadadest või tuhandetest koos elavatest bakteritest.
"See ei olnud lihtsalt bakterilaik, " ütles Schwartzman. "See on sfääriline asi ja näete, et rakud segunevad keskel."
Edasine töö näitas, et õõnsad kerad olid vibrioonlahendus merel söömise keerulisele väljakutsele. Üksik bakter suudab toota ainult nii palju ensüümi; alginaadi lagundamine läheb palju kiiremini, kui vibrioon saab kokku koonduda. Schwartzman ütleb, et see on võitnud strateegia - kuni teatud punktini. Kui neid on liiga palju vibrioon, ületab bakterite arv saadaoleva alginaadi.
Bakterid lahendasid mõistatuse, arendades välja keerukama elutsükli. Bakterid elavad kolmes erinevas faasis. Algul üksikud rakud jagunevad korduvalt ja tütarrakud koonduvad kasvavatesse tükkidesse. Teises faasis paiknevad kokkukleepunud rakud ümber õõnsaks sfääriks. Ääremised rakud liimivad end kokku, moodustades midagi mikroskoopilise lumekera taolist. Sees olevad rakud muutuvad liikuvamaks, ujudes kinni jäänud alginaati tarbides. Kolmandas faasis puruneb rabe välimine kiht, vabastades hästi toidetud sisemised rakud, et alustada tsüklit uuesti.
Tegelikult vibrioon muutuvad heterogeenseks rakkude seguks, kus bakterid kasutavad oma käitumise kontrollimiseks igas faasis erinevaid geene. Kui rakud suhtlevad oma naabritega struktuuris, ilmneb "üllatuslik keerukus", ütles Schwartzman, kes avab jaanuaris Lõuna-California ülikoolis oma labori. "Bakterid võtavad pidevalt oma keskkonnast teavet ja mõnikord reageerivad nad viisil, mis muudab keskkonda."
See keerukus tasub end ära vibrioon mitmel viisil. Muutes oma elutsüklit nii, et see hõlmaks mitmerakulist staadiumi, saavad bakterid alginaati tõhusalt seedida: nende arv suureneb ja õõnes kest aitab ensüüme kontsentreerida. Samal ajal takistab kogukonna struktuur liiga paljude rakkude sündi. Kesta rakud kaotavad võimaluse paljuneda, kuid nende DNA elab nagunii järgmises põlvkonnas, kuna kõik kera rakud on kloonid.
Kui levinud on hulkraksus?
Töö on sõnul "ilus paber". Jordi van Gestel, kes uurib mikroobide arengu evolutsiooni Euroopa molekulaarbioloogia laboris ja ei osalenud uuringus. Van Gestel ütleb, et tulemused kinnitavad ideed, et mikroobide rühmade elamine pole kaugeltki erand.
"See illustreerib kaunilt selliste lihtsate bakterite elutsükli keerukust," ütles ta.
Anahit PenesyanAustraalia Macquarie ülikooli mikrobioloog ütleb, et Schwartzmani ja Cordero töö pakub kasulikku väljakutset eelarvamustele bakterite kohta. "Meie arusaamadesse on sisse kirjutatud, et mikroob on vaid üks rakk," ütles ta ja seetõttu ei otsi teadlased sageli keerulisi käitumisviise, mis võiksid mikroobide elus domineerida. "See on nagu taime seemne või spoori vaatamine ja proovimine järeldada, milline on kogu taim."
Uus vibrioon leid lisab kasvavale nimekirjale mikroobidest, mis võivad vähemalt osa oma elust muutuda mitmerakuliseks. Eelmisel aastal teatasid Georgia Tehnoloogiainstituudi teadlased, et nende laboris olevad üherakulised pärmid arenesid välja tohutu hulkrakuline vorm vaid kahe aastaga. Ja oktoobris teadlased Jaapanis teatasid oma leiust bakteritest, mis kasvavad koobaste seintel mitmerakulisteks struktuurideks; kui kivid on maa-aluste ojade alla sukeldatud, väljutavad struktuurid spetsiaalseid rakke, näiteks seemneid, et koloniseerida teisi kohti.
Schwartzman ja van Gestel usuvad mõlemad, et mitmerakulisuse võime arenes välja eluajal varases staadiumis ja seda jagatakse bakterite iidsete sugulaste, arheadega, mis näivad samuti üherakulised. Nad arvavad, et on vaid aja küsimus, millal teadlased leiavad teisi sarnaste omadustega liike – ja Schwartzman on juba otsima hakanud.
James ShapiroChicago ülikooli pensionil mikrobioloog ei kahtle, et ta selle üles leiab.
Alates 1980. aastatest hakkasid Shapiro ja teised mikrobioloogia valgustid, nagu näiteks Bonnie Bassler Princetoni ülikoolis näitas, et hästi uuritud bakterite üherakuline elustiil oli sageli kunstliku kolvikeskkonna artefakt, milles neid kasvatati. sisse 1998 artikkel aasta Mikrobioloogia aastaülevaadeShapiro väitis, et bakterid ei ole üherakulised üksildased. "Jõudsin järeldusele, et põhimõtteliselt on kõik bakterid mitmerakulised organismid," ütles ta.
Oma nelja kümnendi pikkuse karjääri jooksul nägi Shapiro, et tema hüpotees muutus peaaegu ketserlikust ümberlükkamatuks. "Alguses sain lihtsalt hämmeldunud tähelepanu osaliseks, kuid nüüd on sellest saanud tavaline tarkus," sõnas ta. "Mitmerakulisus on bakteritele omane omadus."
Toimetaja märkus: Cordero on organisatsiooni Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems kaasdirektor. Schwartzmani, Cordero ja nende kolleegide uurimistööd toetas selle koostöö kaudu Simonsi fond, mis sponsoreerib ka seda toimetuslikult sõltumatut ajakirja.
