esittely
Sulje silmäsi ja kuvittele bakteereja. Ehkä kuvaat suolistoamme Escherichia colitai stafylokokin kiiltävät kultaiset pallot tai Lymen taudin spirokeettien korkkiruuvirenkaat. Lajista ja sen muodosta riippumatta mielesi on todennäköisesti loihtinut yhden solun tai ehkä useita vapaasti eläviä soluja.
Tämän kuvan ongelma, mikrobiologi sanoo Julia Schwartzman, se ei heijasta sitä, kuinka useimmat bakteerit todennäköisesti elävät. Usein bakteerit käyttävät tahmeita molekyylejä ankkuroidakseen itsensä pintaan ja kasvavat sisään suuria, vakaita kollektiiveja kutsutaan biofilmeiksi. Hampaissasi oleva plakki on biokalvo; niin ovat myös katetrien infektiot, lammen vaahdon limainen vihreä ja ammeen viemäri tukkivat roskat.
Mutta Schwartzmanin äskettäinen työ, jonka hän johti tohtorintutkinnon suorittaneena laboratoriossa Otto Cordero Massachusetts Institute of Technology, osoittaa, että jopa avomerellä kelluvat bakteerit, joilta puuttuu ankkuripiste suurten konglomeraattien muodostamiseksi, esiintyvät monisoluisissa muodoissa.
"Näimme nämä rakenteet, jotka olivat aivan uskomattomia", hän sanoi.
Kuten Schwartzman, Cordero ja heidän kollegansa osoittivat äskettäin julkaistu Current BiologyNämä monisoluiset muodot syntyivät, koska bakteerit kehittivät paljon monimutkaisemman elinkaaren kuin tavallisesti nähdään yksisoluisissa organismeissa.
Yritys illalliselle
Schwartzman tuli näihin löytöihin meribakteerien monisoluisuudesta yrittäessään oppia jotain perustavanlaatuisempaa: kuinka he syövät.
Avomerellä meren mikrobien ainoa energialähde on usein hyytelömäinen hiilihydraatti, jota kutsutaan alginaattiksi. Toisin kuin glukoosi, fruktoosi ja muut yksinkertaiset sokerit, jotka läpäisevät helposti solukalvon, alginaatti koostuu pitkistä, kierretyistä säikeistä, jotka ovat usein suurempia kuin niissä syövät bakteerit. Schwartzman halusi tietää enemmän siitä, kuinka bakteerit juhlivat tehokkaasti, koska niiden erittämät ruoansulatusentsyymit, jotka hajottavat alginaatin, voitiin helposti laimentaa ja lakata pois avomeren vesissä.
Siksi hän ja Ali Ebrahimi, toinen Corderon laboratorion postdoc, alkoivat mitata luminoivan meribakteerin kasvua. Vibrio splendidus alginaatilla täytettyjen lämpimän liemen pulloissa. Monissa mikrobiologisissa kokeissa tutkijat tarjoavat mikrobeille ravinteita, jotka kannustavat soluja jakautumaan mahdollisimman nopeasti, mutta Schwartzmanin ja Ebrahimin pullot pakottivat Vibrio bakteerit selviävät suhteellisen pienistä määristä ylikokoisia alginaattipolymeerejä, aivan kuten meressä.
Mutta kun Schwartzman alkoi kerätä tietoja, hän luuli tehneensä aloittelijavirheen. Kun bakteerit lisääntyvät, ne muuttavat kirkkaan, meripihkanvärisen viljelyliemen hämäräksi muhennoksi. Mittaamalla hämäryyttä Schwartzman saattoi ekstrapoloida pullossa olevien mikrobien määrän ja rakentaa kasvukäyrän arvioidakseen, kuinka nopeasti solut jakautuivat. Bakteriologit ovat arvioineet kasvuvauhtia tällä tavalla vuosikymmeniä. Postdocina Schwartzman oli menettänyt laskelman siitä, kuinka monta kertaa hän oli tehnyt tämän vuosien aikana.
Kasvukäyrä hänelle Vibrio kulttuureissa ei kuitenkaan näkynyt tavanomaista tasaisesti nousevaa linjaa, vaan pikemminkin kuoppaista kiemuraa kuin vuoristoradan radalla. Huolimatta siitä, kuinka monta kertaa hän toisti prosessin, bakteerit eivät tuottaneet liemessä odotettua sameutta.
Mikroskooppinen lumipallo
Tarkistaakseen, mitä tapahtui, Schwartzman asetti viljelyliuospisaran lasimikroskoopin objektilasille ja katsoi linssin läpi 40-kertaisella suurennuksella. Se, mitä hän ja Ebrahimi näkivät, eivät olleet yksilöparvia Vibrio vaan pikemminkin kauniita kerrospalloja, jotka koostuvat sadoista tai tuhansista yhdessä elävistä bakteereista.
"Se ei ollut vain bakteeripilkku", Schwartzman sanoi. "Se on pallomainen asia, ja voit nähdä solujen sekoittuvan keskellä."
Jatkotyöt osoittivat, että ontot pallot olivat Vibrion ratkaisu merellä syömisen monimutkaiseen haasteeseen. Yksittäinen bakteeri voi tuottaa vain niin paljon entsyymiä; alginaatin hajottaminen tapahtuu paljon nopeammin, kun Vibrio voi ryhmittyä yhteen. Se on voittava strategia, Schwartzman sanoo - tiettyyn pisteeseen asti. Jos niitä on liikaa Vibrio, bakteerien määrä on suurempi kuin käytettävissä oleva alginaatti.
Bakteerit ratkaisivat ongelman kehittämällä monimutkaisemman elinkaaren. Bakteerit elävät kolmessa eri vaiheessa. Aluksi yksittäinen solu jakautuu toistuvasti ja tytärsolut kerääntyvät kasvaviin kokkareihin. Toisessa vaiheessa paakkuuntuneet solut järjestäytyvät ontoksi palloksi. Uloimmat solut liimaavat itsensä yhteen muodostaen jotain mikroskooppisen lumipallon kaltaista. Sen sisällä olevat solut muuttuvat liikkuvammiksi ja uivat ympäriinsä kuluttaessaan loukkuun jäänyttä alginaattia. Kolmannessa vaiheessa hauras ulkokerros repeytyy vapauttaen hyvin syötetyt sisäsolut aloittaakseen syklin uudelleen.
Voimassa, Vibrio tulee heterogeeninen soluseos, jossa bakteerit käyttävät erilaisia geenejä säätelemään käyttäytymistään kussakin vaiheessa. Kun solut ovat vuorovaikutuksessa naapureidensa kanssa rakenteessa, se on "yllättävän monimutkainen", sanoi Schwartzman, joka käynnistää oman laboratorion Etelä-Kalifornian yliopistossa tammikuussa. "Bakteerit ottavat jatkuvasti tietoa ympäristöstään, ja joskus ne reagoivat tavoilla, jotka muuttavat ympäristöä."
Tämä monimutkaisuus kannattaa Vibrio useilla tavoilla. Muuttamalla elinkaarensa monisoluiseksi bakteerit voivat sulattaa alginaattia tehokkaasti: Niiden lukumäärä kasvaa ja ontto kuori auttaa keskittymään entsyymeihin. Samaan aikaan yhteisön rakenne estää liian monen solun syntymisen. Kuoren solut menettävät mahdollisuuden lisääntyä, mutta niiden DNA elää joka tapauksessa seuraavassa sukupolvessa, koska kaikki pallossa olevat solut ovat klooneja.
Kuinka yleistä on monisoluisuus?
Teos on sen mukaan "kaunis paperi". Jordi van Gestel, joka tutkii mikrobien kehityksen kehitystä Euroopan molekyylibiologian laboratoriossa eikä ollut mukana tutkimuksessa. Van Gestel sanoo, että tulokset vahvistavat ajatusta, että mikrobiryhmäelämä ei suinkaan ole poikkeus, vaan normi.
"Se kuvaa kauniisti tällaisten yksinkertaisten bakteerien elinkaaren monimutkaisuutta", hän sanoi.
Anahit Penesyan, Australian Macquarien yliopiston mikrobiologi sanoo, että Schwartzmanin ja Corderon työ tarjoaa hyödyllisen haasteen bakteereja koskeville ennakkokäsityksille. "Se on kaiverrettu ymmärryksemme, että mikrobi on vain yksi solu", hän sanoi, ja sen seurauksena tutkijat eivät usein etsi monimutkaisia käyttäytymismuotoja, jotka voisivat hallita mikrobien elämää. "Se on kuin katsoisi kasvin siementä tai itiötä ja yrittäisi päätellä, millainen koko kasvi on."
Uusi Vibrio löydös lisää kasvavaa luetteloa mikrobeista, jotka voivat muuttua monisoluisiksi ainakin osan elämästään. Viime vuonna Georgia Institute of Technologyn tutkijat raportoivat, että yksisoluiset hiivat heidän laboratorioissaan ovat kehittäneet valtava monisoluinen muoto vain kahdessa vuodessa. Ja lokakuussa tutkijat Japanissa ilmoitti löydöstään bakteerit, jotka kasvavat monisoluisiksi rakenteiksi luolien seinillä; Kun kivet upotetaan maanalaisiin puroihin, rakenteet irrottavat erikoistuneita soluja, kuten siemeniä, asuttamaan muita paikkoja.
Schwartzman ja van Gestel uskovat molemmat, että kyky monisoluisuuteen kehittyi elämän varhaisessa vaiheessa ja että se on jaettu bakteerien muinaisten serkkujen, arkeoiden, kanssa, jotka myös näyttävät yksisoluisilta. He ajattelevat, että on vain ajan kysymys, milloin tutkijat löytävät muita lajeja, joilla on samanlaiset ominaisuudet - ja Schwartzman on jo alkanut etsiä.
James Shapiro, eläkkeellä oleva mikrobiologi Chicagon yliopistosta, ei epäile löytävänsä sen.
1980-luvulta lähtien Shapiro ja muut mikrobiologian valovoimat, kuten Bonnie Bassler Princetonin yliopistossa osoitti, että hyvin tutkittujen bakteerien yksisoluinen elämäntapa oli usein artefakti keinotekoisissa pulloissa, joissa niitä kasvatettiin. Sisään 1998-artikkeli vuonna Vuosittainen mikrobiologian katsausShapiro väitti, että bakteerit eivät ole yksisoluisia yksinäisiä. "Tulin siihen johtopäätökseen, että periaatteessa kaikki bakteerit ovat monisoluisia organismeja", hän sanoi.
Neljän vuosikymmenen uransa aikana Shapiro näki hypoteesinsa muuttuvan lähes harhaoppisesta kiistattomaksi. "Aluksi sain vain hämmentynyttä huomiota, mutta nyt siitä on tullut tavanomaista viisautta", hän sanoi. "Monisoluisuus on bakteerien luontainen ominaisuus."
Toimittajan huomautus: Cordero on Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems -järjestön toinen johtaja. Schwartzmanin, Corderon ja heidän kollegoidensa tutkimusta tuki tämän yhteistyön kautta Simons Foundationin toimesta, joka myös sponsoroi tätä toimituksellisesti riippumatonta lehteä.
