Bevezetés
Csukja be a szemét, és képzelje el a baktériumokat. Talán a bélrendszerünket képzeli el Escherichia coli, vagy a staphylococcusok fényes aranygolyói, vagy a Lyme-kór spirocheták dugóhúzó gyűrűi. Függetlenül a fajtól és annak alakjától, nagy eséllyel egyetlen sejtet, vagy esetleg több szabadon élő sejtet varázsol elő.
A probléma ezzel a képpel – mondja a mikrobiológus Julia Schwartzman, az nem tükrözi, hogy a legtöbb baktérium valószínűleg hogyan él. A baktériumok gyakran ragadós molekulákat használnak, hogy rögzítsék magukat egy felülethez, és ott növekedjenek nagy, stabil kollektívák biofilmeknek nevezzük. A fogakon lévő lepedék egy biofilm; ugyanígy a katéterek fertőzései is, a tó söpredékének nyálkás zöldje és a fürdőkád lefolyóját eltömő szennyeződés.
De Schwartzman legutóbbi munkája, amelyet posztdoktori ösztöndíjasként végzett a laboratóriumban Otto Cordero A Massachusetts Institute of Technology tanulmánya azt mutatja, hogy még a nyílt óceánban lebegő baktériumok is léteznek többsejtű formákban, amelyeknek nincs rögzítési pontja a nagy konglomerátumok kialakításához.
„Láttuk ezeket a hihetetlen szerkezeteket” – mondta.
Amint azt Schwartzman, Cordero és kollégáik megmutatták friss cikk be Current BiologyEzek a többsejtű formák azért jöttek létre, mert a baktériumok életciklusa sokkal összetettebb, mint az egysejtű szervezetekben általában megfigyelhető.
Társaság vacsorára
Schwartzman a tengeri baktériumok többsejtűségével kapcsolatos felfedezésekre jutott, miközben valami alapvetőbb dolgot próbált megtudni: hogyan táplálkoznak.
A nyílt óceánban gyakran a tengeri mikrobák egyetlen energiaforrása egy zselatinos szénhidrát, az alginát. A glükózzal, fruktózzal és más egyszerű cukrokkal ellentétben, amelyek könnyen átjutnak a sejtmembránon, az alginát hosszú, tekercses szálakból áll, amelyek gyakran nagyobbak, mint a rajtuk táplálkozó baktériumok. Schwartzman többet akart tudni arról, hogyan lakmároznak hatékonyan a baktériumok, mivel az alginát lebontására kiválasztott emésztőenzimek könnyen felhígulhatnak és elsodorhatók a nyílt óceán vizében.
Ezért ő és Ali Ebrahimi, egy másik posztdoktor Cordero laboratóriumában elkezdték mérni a lumineszcens tengeri baktérium növekedését. Vibrio splendidus algináttal megtöltött meleg húsleves lombikban. Számos mikrobiológiai kísérlet során a tudósok a mikrobákat tápanyaggal látják el, hogy ösztönözzék a sejteket a lehető leggyorsabb osztódásra, de Schwartzman és Ebrahimi lombikjai rákényszerítették a vibrió baktérium A baktériumok viszonylag kis mennyiségű túlméretezett alginát polimerből képesek megélni, akárcsak a tengerben.
Ám amikor Schwartzman elkezdte gyűjteni az adatokat, azt hitte, újonc hibát követett el. Ahogy a baktériumok szaporodnak, a tiszta, borostyánszínű tenyészlevest zavaros pörköltté alakítják. A zavarosság mérésével Schwartzman extrapolálhatta a lombikban lévő mikrobák számát, és növekedési görbét szerkeszthetett, hogy megbecsülje, milyen gyorsan osztódnak a sejtek. A bakteriológusok évtizedek óta így becsülik meg a növekedési ütemet. Schwartzman posztdoktorként elvesztette a számítását, hányszor tette ezt az évek során.
A növekedési görbe neki vibrió baktérium A kultúrák azonban nem a szokásos simán emelkedő vonalat mutatták, hanem egy hullámvasúthoz hasonló göröngyös siklást. Akárhányszor megismételte a folyamatot, a baktériumok nem hozták létre a várt zavarosságot a húslevesben.
Mikroszkopikus hógömb
Hogy ellenőrizze, mi történik, Schwartzman a tenyészoldat egy cseppjét egy üvegmikroszkóp tárgylemezére helyezte, és 40-szeres nagyítással belenézett a lencsén. Amit ő és Ebrahimi láttak, nem egyéni rajok voltak vibrió baktérium hanem szép, réteges gömbök, amelyek több száz vagy több ezer együtt élő baktériumból állnak.
„Ez nem csak egy baktériumfolt volt” – mondta Schwartzman. "Ez egy gömb alakú dolog, és láthatja, hogy a sejtek keverednek a közepén."
A további munka azt mutatta, hogy az üreges gömbök voltak vibrió baktériummegoldása a tengeri étkezés bonyolult kihívására. Egy egyes baktérium csak annyi enzimet tud termelni; az alginát lebontása sokkal gyorsabban megy, ha vibrió baktérium csoportosulhatnak. Ez egy nyerő stratégia, mondja Schwartzman – egy bizonyos pontig. Ha túl sokan vannak vibrió baktérium, a baktériumok száma meghaladja a rendelkezésre álló alginátot.
A baktériumok bonyolultabb életciklus kialakításával oldották meg a rejtélyt. A baktériumok három különböző fázisban élnek. Eleinte egy egyedi sejt ismételten osztódik, és a leánysejtek növekvő csomókban zsúfolódnak össze. A második fázisban az összetapadt sejtek üreges gömbbé rendeződnek át. A legkülső sejtek összeragasztják magukat, és valami mikroszkopikus hógömbhöz hasonlót alkotnak. A benne lévő sejtek mozgékonyabbá válnak, úsznak, miközben elfogyasztják a csapdába esett alginátot. A harmadik fázisban a rideg külső réteg felszakad, felszabadítva a jól táplált belső sejteket, hogy újrainduljon a ciklus.
Gyakorlatilag, vibrió baktérium sejtek heterogén keverékévé válnak, ahol a baktériumok különböző géneket használnak viselkedésük szabályozására minden fázisban. Ahogy a sejtek kölcsönhatásba lépnek a szerkezetben lévő szomszédaikkal, „meglepően bonyolult” – mondta Schwartzman, aki januárban elindítja saját laboratóriumát a Dél-Kaliforniai Egyetemen. "A baktériumok folyamatosan információt kapnak a környezetükből, és néha úgy reagálnak, hogy megváltoztatják a környezetet."
Ez a komplexitás kifizetődik vibrió baktérium többféle módon. Azáltal, hogy életciklusukat többsejtűvé alakítják, a baktériumok hatékonyan tudják megemészteni az alginátot: számuk nő, az üreges héj pedig segít koncentrálni az enzimeket. Eközben a közösség szerkezete megakadályozza, hogy túl sok sejt szülessen. A héjban lévő sejtek elvesztik a szaporodás lehetőségét, de DNS-ük így is tovább él a következő generációban, mivel a gömb minden sejtje klón.
Mennyire gyakori a többsejtűség?
A mű szerint „gyönyörű papír”. Jordi van Gestel, aki a mikrobiális fejlődés evolúcióját tanulmányozza az Európai Molekuláris Biológiai Laboratóriumban, és nem vett részt a kutatásban. Van Gestel szerint az eredmények alátámasztják azt az elképzelést, hogy korántsem kivétel, hanem a mikrobiális csoportok élete a norma.
"Gyönyörűen szemlélteti az ilyen egyszerű baktériumok életciklusának összetettségét" - mondta.
Anahit Penesyan, az ausztrál Macquarie Egyetem mikrobiológusa szerint Schwartzman és Cordero munkája hasznos kihívást jelent a baktériumokkal kapcsolatos előítéletek ellen. "Megértésünkbe bele van vésve, hogy a mikroba csak egyetlen sejt" - mondta, és ennek következtében a kutatók gyakran nem keresik azokat az összetett viselkedésmódokat, amelyek uralhatják a mikrobiális életet. „Olyan ez, mintha egy növény magját vagy spóráját néznénk, és megpróbálnánk kikövetkeztetni, milyen az egész növény.”
Az új vibrió baktérium A felfedezés olyan mikrobák egyre növekvő listáját erősíti, amelyek életük legalább egy részében többsejtűvé válhatnak. Tavaly a Georgia Institute of Technology kutatói arról számoltak be, hogy a laboratóriumukban lévő egysejtű élesztők egy hatalmas többsejtű forma mindössze két év alatt. Októberben pedig a kutatók Japánban bejelentették felfedezésüket baktériumok, amelyek többsejtű struktúrákká nőnek a barlangok falán; Amikor a sziklákat föld alatti patakok merítik, a struktúrák speciális sejteket, például magokat lövellnek ki, hogy más helyeket megtelepedjenek.
Schwartzman és van Gestel is úgy véli, hogy a többsejtűség képessége az élet korai szakaszában fejlődött ki, és megosztják a baktériumok ősi rokonaival, az archaeával, amely szintén egysejtűnek tűnik. Szerintük csak idő kérdése, hogy a kutatók más, hasonló tulajdonságokkal rendelkező fajokat találjanak – Schwartzman pedig már elkezdte keresni.
James Shapiro, a Chicagói Egyetem nyugdíjas mikrobiológusának nincs kétsége afelől, hogy megtalálja.
Az 1980-as évektől Shapiro és más mikrobiológiai világítók, mint pl Bonnie Bassler A Princeton Egyetemen végzett kutatás kimutatta, hogy a jól tanulmányozott baktériumok egysejtű életmódja gyakran annak a mesterséges lombik környezetének a műterméke, amelyben termesztették őket. Ban ben egy 1998 cikk a Mikrobiológiai Éves SzemleShapiro azzal érvelt, hogy a baktériumok nem egysejtűek. "Arra a következtetésre jutottam, hogy alapvetően minden baktérium többsejtű szervezet" - mondta.
Négy évtizedes pályafutása során Shapiro látta, hogy hipotézise szinte eretnekből megdönthetetlenné változott. „Először csak zavarba jöttem a figyelmem, de mára ez hagyományos bölcsességgé vált” – mondta. "A többsejtűség a baktériumok velejárója."
A szerkesztő megjegyzése: Cordero a Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems társigazgatója. Schwartzman, Cordero és munkatársaik kutatását ezen az együttműködésen keresztül támogatta a Simons Alapítvány, amely szintén támogatja ezt a szerkesztőileg független magazint.
