باکتری های اقیانوس شکل چند سلولی غیرمنتظره ای را آشکار می کنند

چشمان خود را ببندید و باکتری ها را تصور کنید. شاید شما روده ما را تصور می کنید اشریشیا کولییا توپ های طلایی براق استافیلوکوک، یا حلقه های چوب پنبه بند اسپیروکت های بیماری لایم. صرف نظر از گونه و شکل آن، این احتمال وجود دارد که چشم ذهن شما یک سلول واحد یا شاید چندین سلول آزاد را ایجاد کند.

میکروبیولوژیست می گوید مشکل این تصویر است جولیا شوارتزمن، این است که نشان نمی دهد که بیشتر باکتری ها چگونه زندگی می کنند. اغلب، باکتری‌ها از مولکول‌های چسبنده استفاده می‌کنند تا خود را به یک سطح متصل کنند و در آن رشد کنند گروه های بزرگ و پایدار بیوفیلم نامیده می شود. پلاک روی دندان شما یک بیوفیلم است. عفونت‌های روی کاتترها، رنگ سبز لزج تفاله‌های حوضچه و زباله‌هایی که مجرای وان حمام شما را مسدود می‌کنند نیز همین‌طور هستند.

اما کار اخیر شوارتزمن که او به عنوان همکار فوق دکترا در آزمایشگاه انجام داد اتو کوردرو در موسسه فناوری ماساچوست، نشان می دهد که حتی باکتری های شناور در اقیانوس باز، که فاقد نقطه لنگر برای تشکیل کنگلومراهای بزرگ هستند، به اشکال چند سلولی وجود دارند.

او گفت: «ما این ساختارها را دیدیم که باورنکردنی بودند.

همانطور که شوارتزمن، کوردرو و همکارانشان در خود نشان دادند مقاله اخیر در زیست شناسی کنونیاین اشکال چند سلولی به این دلیل به وجود آمدند که باکتری‌ها چرخه حیاتی بسیار پیچیده‌تر از آنچه معمولاً در موجودات تک سلولی دیده می‌شود ایجاد کردند.

شرکت برای شام

شوارتزمن به این اکتشافات در مورد چند سلولی بودن باکتری‌های دریایی رسید، در حالی که تلاش می‌کرد چیز اساسی‌تری بیاموزد: نحوه غذا خوردن آنها.

در اقیانوس های باز، اغلب تنها منبع انرژی برای میکروب های دریایی یک کربوهیدرات ژلاتینی به نام آلژینات است. برخلاف گلوکز، فروکتوز و سایر قندهای ساده که می توانند به راحتی از غشای سلولی عبور کنند، آلژینات از رشته های دراز و پیچ خورده ای تشکیل شده است که اغلب بزرگتر از باکتری هایی است که روی آنها غذا می خورند. شوارتزمن می خواست بیشتر در مورد چگونگی جشن گرفتن موثر باکتری ها بداند، زیرا آنزیم های گوارشی که آنها برای تجزیه آلژینات ترشح می کنند می توانند به راحتی در آب های آزاد اقیانوس رقیق شده و دور شوند.

به همین دلیل او و علی ابراهیمی، دیگر فوق دکترای آزمایشگاه کوردرو، شروع به اندازه گیری رشد باکتری دریایی درخشان کردند. ویبریو اسپلندیدوس در فلاسک های آبگوشت گرم مملو از آلژینات. در بسیاری از آزمایش‌های میکروبیولوژیکی، دانشمندان به میکروب‌ها مجموعه‌ای از مواد مغذی را می‌دهند تا سلول‌ها را تشویق کنند تا در سریع‌ترین زمان ممکن تقسیم شوند، اما فلاسک‌های شوارتزمن و ابراهیمی مجبور شدند ویبریو باکتری‌ها بر روی مقادیر نسبتاً کمی از پلیمرهای آلژینات بزرگ زندگی می‌کنند، درست مانند آنچه در دریا وجود دارد.

با این حال، زمانی که شوارتزمن شروع به جمع آوری داده ها کرد، فکر کرد که مرتکب یک اشتباه تازه کار شده است. با تکثیر باکتری‌ها، آبگوشت شفاف و کهربایی رنگ را به یک خورش کدر تبدیل می‌کنند. شوارتزمن با اندازه‌گیری تیرگی، می‌توانست تعداد میکروب‌های موجود در فلاسک را برون‌یابی کند و یک منحنی رشد بسازد تا تخمین بزند که سلول‌ها با چه سرعتی تقسیم می‌شوند. باکتری شناسان چندین دهه است که نرخ رشد را از این طریق تخمین می زنند. به عنوان یک فوق دکتر، شوارتزمن تعداد دفعات انجام این کار را در طول سال ها از دست داده بود.

منحنی رشد برای او ویبریو با این حال، فرهنگ‌ها خط معمولی را نشان نمی‌دادند که به آرامی بالا می‌رفت، بلکه یک حرکت ناهموار مانند مسیر ترن هوایی را نشان می‌دادند. مهم نیست که چند بار این فرآیند را تکرار کرد، باکتری ها کدورت مورد انتظار را در آبگوشت ایجاد نکردند.

یک گلوب برفی میکروسکوپی

شوارتزمن برای بررسی آنچه در حال وقوع است، قطره ای از محلول کشت را روی یک لام میکروسکوپ شیشه ای قرار داد و با بزرگنمایی 40 برابر از طریق عدسی نگاه کرد. چیزی که او و ابراهیمی دیدند، انبوهی از افراد نبود ویبریو اما گوی های زیبا و لایه ای متشکل از صدها یا هزاران باکتری که در کنار هم زندگی می کنند.

شوارتزمن گفت: «این فقط یک لکه از باکتری نبود. "این یک چیز کروی است، و شما می توانید سلول ها را در وسط مشاهده کنید."

کار بیشتر نشان داد که کره های توخالی هستند ویبریوراه حلی برای چالش پیچیده غذا خوردن در دریا. یک باکتری منفرد فقط می تواند آنزیم زیادی تولید کند. شکستن آلژینات بسیار سریعتر انجام می شود ویبریو می توانند با هم خوشه شوند. شوارتزمن می گوید این یک استراتژی برنده است - تا حدی. اگر تعدادشان زیاد باشد ویبریو، تعداد باکتری ها از آلژینات موجود بیشتر است.

باکتری ها با ایجاد یک چرخه زندگی پیچیده تر، معما را حل کردند. باکتری ها در سه فاز مجزا زندگی می کنند. در ابتدا، یک سلول جداگانه به طور مکرر تقسیم می شود و سلول های دختر در توده های در حال رشد جمع می شوند. در مرحله دوم، سلول های انباشته شده خود را به یک کره توخالی بازآرایی می کنند. بیرونی ترین سلول ها خود را به هم می چسبانند و چیزی شبیه به یک کره برفی میکروسکوپی را تشکیل می دهند. سلول های داخل متحرک تر می شوند و با مصرف آلژینات به دام افتاده در اطراف شنا می کنند. در مرحله سوم، لایه بیرونی شکننده پاره می‌شود و سلول‌های درونی که به خوبی تغذیه می‌شوند را آزاد می‌کند تا چرخه از نو شروع شود.

در اثر، ویبریو تبدیل به ترکیبی ناهمگن از سلول ها می شود و باکتری ها از ژن های مختلف برای کنترل رفتار خود در هر مرحله استفاده می کنند. شوارتزمن که در ژانویه آزمایشگاه خود را در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی راه اندازی می کند، گفت: از آنجایی که سلول ها با همسایگان خود در ساختار تعامل دارند، آنچه ظاهر می شود "مقدار شگفت انگیزی از پیچیدگی" است. باکتری‌ها دائماً اطلاعاتی را از محیط خود دریافت می‌کنند و گاهی اوقات به روش‌هایی پاسخ می‌دهند که محیط را تغییر می‌دهند.»

این پیچیدگی جواب می دهد ویبریو از چند جهت باکتری‌ها با تغییر چرخه زندگی خود برای شامل یک مرحله چند سلولی، می‌توانند آلژینات را به خوبی هضم کنند: تعداد آنها افزایش می‌یابد و پوسته توخالی به تمرکز آنزیم‌ها کمک می‌کند. در این میان، ساختار جامعه از تولد سلول های بیش از حد جلوگیری می کند. سلول‌های پوسته فرصت تولید مثل را از دست می‌دهند، اما DNA آن‌ها به هر حال در نسل بعدی زنده می‌ماند، زیرا تمام سلول‌های گوی شبیه‌سازی هستند.

چند سلولی چقدر رایج است؟

به گفته ی کار، "یک کاغذ زیبا" است جوردی ون گشتل، که تکامل رشد میکروبی را در آزمایشگاه بیولوژی مولکولی اروپا مطالعه می کند و در این تحقیق شرکت نداشت. ون گستل می‌گوید که نتایج این ایده را تقویت می‌کند که به دور از استثنا بودن، زندگی گروهی میکروبی یک هنجار است.

او گفت: "این به زیبایی پیچیدگی چرخه زندگی در چنین باکتری های ساده ای را نشان می دهد."

آناهیت پنسیانیک میکروبیولوژیست در دانشگاه مک کواری استرالیا، می گوید که کار شوارتزمن و کوردرو چالشی مفید برای پیش فرض ها در مورد باکتری ها ارائه می دهد. او گفت: "در درک ما حک شده است که یک میکروب فقط یک سلول است." و در نتیجه، محققان اغلب به دنبال رفتارهای پیچیده ای نیستند که ممکن است بر زندگی میکروبی مسلط شوند. "مثل این است که به دانه یا هاگ گیاه نگاه کنید و سعی کنید استنباط کنید که کل گیاه چگونه است."

جدید ویبریو این یافته به فهرست رو به رشدی از میکروب‌هایی اضافه می‌کند که می‌توانند حداقل برای بخشی از زندگی خود چند سلولی شوند. سال گذشته، محققان موسسه فناوری جورجیا گزارش دادند که مخمرهای تک سلولی در آزمایشگاه آنها یک شکل چند سلولی عظیم فقط در دو سال و در ماه اکتبر، محققان در ژاپن کشف خود را اعلام کرد باکتری هایی که به ساختارهای چند سلولی روی دیواره غارها رشد می کنند. وقتی سنگ‌ها توسط جریان‌های زیرزمینی غوطه‌ور می‌شوند، ساختارها سلول‌های تخصصی مانند دانه‌ها را برای استعمار مکان‌های دیگر خارج می‌کنند.

شوارتزمن و ون گستل هر دو بر این باورند که ظرفیت چند سلولی در اوایل تاریخ زندگی تکامل یافته است و با پسرعموهای باستانی باکتری ها، آرکیا، که تک سلولی نیز به نظر می رسند مشترک است. آنها فکر می کنند تا زمانی که محققان گونه های دیگری را با ویژگی های مشابه پیدا کنند یک مسئله زمان است - و شوارتزمن از قبل شروع به جستجو کرده است.

جیمز شاپیرویک میکروبیولوژیست بازنشسته از دانشگاه شیکاگو، شکی ندارد که آن را پیدا خواهد کرد.

با شروع در دهه 1980، شاپیرو و سایر مشاهیر میکروبیولوژی مانند بانی باسلر در دانشگاه پرینستون نشان داد که سبک زندگی تک سلولی باکتری‌هایی که به خوبی مطالعه شده‌اند، اغلب مصنوع از محیط‌های فلاسک مصنوعی است که در آن رشد می‌کنند. که در یک مقاله 1998 در بررسی سالانه میکروبیولوژیشاپیرو استدلال کرد که باکتری ها تنهای تک سلولی نیستند. او گفت: "من به این نتیجه رسیدم که اساساً همه باکتری ها موجودات چند سلولی هستند."

شاپیرو در طول چهار دهه کار خود، فرضیه خود را از تقریبا بدعت به غیرقابل انکار تبدیل کرد. او می‌گوید: «در ابتدا توجه من گیج‌کننده بود، اما اکنون این به عقل متعارف تبدیل شده است. "چند سلولی بودن یک ویژگی ذاتی باکتری است."

یادداشت سردبیر: کوردرو یکی از کارگردانان همکاری سیمونز در زمینه اصول اکوسیستم‌های میکروبی است. تحقیقات شوارتزمن، کوردرو و همکارانشان از طریق آن همکاری توسط بنیاد سیمونز، که حمایت مالی این مجله مستقل از سرمقاله را نیز بر عهده دارد، انجام شد.