חיידקי האוקיינוס ​​חושפים צורה רב-תאית בלתי צפויה

עצמו עיניים ודמיינו חיידקים. אולי אתה מדמיין את המעי שלנו חיידקי Escherichia, או כדורי הזהב המבריקים של סטפילוקוקוס, או צלעות מחלצי הפקקים של ספירוצ'טים של מחלת ליים. ללא קשר למין ולצורתו, רוב הסיכויים שעין הנפש שלך מעלה באוב תא בודד, או אולי כמה תאים חיים חופשיים.

הבעיה בדימוי הזה, אומר המיקרוביולוג יוליה שוורצמן, הוא שזה לא משקף איך רוב החיידקים צפויים לחיות. לעתים קרובות, חיידקים משתמשים במולקולות דביקות כדי לעגן את עצמם למשטח, שצומחים פנימה קולקטיבים גדולים ויציבים שנקרא ביופילם. הרובד על השיניים שלך הוא ביופילם; כך גם זיהומים בצנתרים, הירוק הררי של חלאות הבריכה והאקדח שסותם את ניקוז האמבטיה שלך.

אבל עבודתה האחרונה של שוורצמן, אותה ניהלה כפוסט דוקטורט במעבדה אוטו קורדרו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, מראה שאפילו חיידקים הצפים באוקיינוס ​​הפתוח, שאין להם נקודת עיגון ליצירת קונגלומרטים גדולים, קיימים בצורות רב-תאיות.

"ראינו את המבנים האלה שהיו פשוט מדהימים", אמרה.

כפי ששוורצמן, קורדרו ועמיתיהם הראו בעבודתם המאמר האחרון ב ביולוגיה נוכחית, צורות רב-תאיות אלו התעוררו בגלל שהחיידקים פיתחו מחזור חיים מורכב הרבה יותר ממה שנראה בדרך כלל באורגניזמים חד-תאיים.

חברה לארוחת ערב

שוורצמן הגיע לגילויים הללו על רב-תאי בחיידקים ימיים תוך כדי ניסיון ללמוד על משהו מהותי יותר: איך הם אוכלים.

באוקיינוס ​​הפתוח, לעתים קרובות מקור האנרגיה היחיד לחיידקים ימיים הוא פחמימה ג'לטינית הנקראת אלגינט. בניגוד לגלוקוז, פרוקטוז וסוכרים פשוטים אחרים שיכולים לחצות בקלות את קרום התא, אלגינט מורכב מחוטים ארוכים ומפותלים שלעיתים גדולים יותר מהחיידקים הסועדים עליהם. שוורצמן רצה לדעת יותר על האופן שבו החיידקים חוגגים ביעילות, שכן אנזימי העיכול שהם מפרישים כדי לפרק את האלגינט יכלו בקלות להידלל ולהיסחף במימי האוקיינוס ​​הפתוח.

זו הסיבה שהיא ועלי אברהמי, פוסט דוקטורט נוסף במעבדה של קורדרו, התחילו למדוד את הצמיחה של החיידק הימי הזוהר Vibrio splendidus בצלוחיות של מרק חם עמוס באלגינט. בניסויים מיקרוביולוגיים רבים, מדענים מספקים לחיידקים שולחן עשן של חומרים מזינים כדי לעודד את התאים להתחלק מהר ככל האפשר, אבל הצלוחיות של שוורצמן ואברהימי אילצו את Vibrio חיידקים להתקיים על כמויות קטנות יחסית של פולימרים אלגינטים גדולים מדי, בדיוק כפי שהם עושים בים.

אולם כששוורצמן החלה לאסוף נתונים, היא חשבה שעשתה טעות טירון. כשהחיידקים מתרבים, הם הופכים את מרק התרבות הצלול, בצבע ענבר, לתבשיל עכור. על ידי מדידת העכירות, שוורצמן יכול היה להסיק את מספר החיידקים בבקבוק ולבנות עקומת גדילה כדי להעריך באיזו מהירות התאים מתחלקים. בקטריולוגים העריכו את שיעורי הגדילה כך כבר עשרות שנים. כפוסט דוקטורט, שוורצמן איבדה את הספירה של כמה פעמים היא עשתה זאת במהלך השנים.

עקומת הצמיחה עבורה Vibrio תרבויות, לעומת זאת, לא הראו את הקו הרגיל העולה בצורה חלקה, אלא התפתלות גבשושית כמו מסלול של רכבת הרים. לא משנה כמה פעמים היא חזרה על התהליך, החיידקים לא יצרו את העכירות הצפויה במרק.

גלובוס שלג מיקרוסקופי

כדי לבדוק מה קורה, שוורצמן הפקיד טיפה מתמיסת התרבית על שקף מיקרוסקופ זכוכית והציץ דרך העדשה בהגדלה של פי 40. מה שהיא ואברהמי ראו לא היו נחילי אינדיבידואלים Vibrio אלא כדורי שכבות יפים המורכבים ממאות או אלפי חיידקים החיים יחד.

"זה לא היה רק ​​גוש של חיידקים", אמר שוורצמן. "זה דבר כדורי, ואתה יכול לראות את התאים מתערבבים באמצע."

עבודה נוספת הראתה שהכדורים החלולים היו Vibrioהפתרון של האתגר המסובך של אכילה בים. חיידק בודד יכול לייצר רק כל כך הרבה אנזים; פירוק אלגינט הולך הרבה יותר מהר כאשר Vibrio יכולים להתקבץ יחד. זו אסטרטגיה מנצחת, אומר שוורצמן - עד לנקודה מסוימת. אם יש יותר מדי Vibrio, מספר החיידקים עולה על האלגינט הזמין.

החיידקים פתרו את החידה על ידי פיתוח מחזור חיים מורכב יותר. החיידקים חיים בשלושה שלבים נפרדים. בתחילה, תא בודד מתחלק שוב ושוב ותאי הבת מצטופפים בגושים הולכים וגדלים. בשלב השני, התאים המגושמים מסדרים את עצמם מחדש לכדור חלול. התאים החיצוניים ביותר מדביקים את עצמם יחד, ויוצרים משהו כמו כדור שלג מיקרוסקופי. התאים בפנים נעשים ניידים יותר, שוחים סביבם כשהם צורכים את האלגינט הכלוא. בשלב השלישי, השכבה החיצונית השבירה נקרעת, ומשחררת את התאים הפנימיים המוזנים היטב כדי להתחיל את המחזור מחדש.

לְמַעֲשֶׂה, Vibrio הופכים לתערובת הטרוגנית של תאים, כאשר החיידקים משתמשים בגנים שונים כדי לשלוט בהתנהגותם בכל שלב. כאשר התאים מקיימים אינטראקציה עם שכניהם במבנה, מה שמתברר הוא "כמות מפתיעה של מורכבות", אמרה שוורצמן, אשר משיקה מעבדה משלה באוניברסיטת דרום קליפורניה בינואר. "החיידקים קולטים כל הזמן מידע מהסביבה שלהם, ולפעמים הם מגיבים בדרכים שמשנות את הסביבה".

המורכבות הזו משתלמת Vibrio בכמה דרכים. על ידי שינוי מחזור החיים שלהם כך שיכלול שלב רב תאי, החיידקים יכולים לעכל את האלגינט ביעילות: מספרם גדל, והקליפה החלולה עוזרת לרכז את האנזימים. בינתיים, מבנה הקהילה מונע יותר מדי תאים להיוולד. התאים בקליפה מאבדים את ההזדמנות להתרבות, אבל ה-DNA שלהם ממילא חי בדור הבא, שכן כל התאים בכדור הם שיבוטים.

עד כמה שכיחה רב-תאית?

העבודה היא "נייר יפה", לפי ג'ורדי ואן גסטל, שחוקר את האבולוציה של התפתחות חיידקים במעבדה האירופית לביולוגיה מולקולרית ולא היה מעורב במחקר. ואן גסטל אומר שהתוצאות מחזקות את הרעיון, שרחוק מלהיות היוצא מן הכלל, החיים בקבוצות מיקרוביאליות הן הנורמה.

"זה ממחיש יפה את המורכבות של מחזור החיים בחיידקים פשוטים כל כך", אמר.

אנאהיט פנסיאן, מיקרוביולוג מאוניברסיטת מקווארי באוסטרליה, אומר שעבודתם של שוורצמן וקורדרו מציעה אתגר שימושי לתפיסות קדומות לגבי חיידקים. "זה חקוק בהבנה שלנו שחיידק הוא רק תא בודד", אמרה, וכתוצאה מכך, חוקרים לעתים קרובות לא מחפשים התנהגויות מורכבות שעשויות לשלוט בחיי החיידקים. "זה כמו להסתכל על זרע צמח או נבג ולנסות להסיק איך הצמח כולו."

DELETE THIS Vibrio ממצא מוסיף לרשימה הולכת וגדלה של חיידקים שיכולים להפוך לרב-תאיים לפחות חלק מחייהם. בשנה שעברה, חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה דיווחו כי השמרים החד-תאיים במעבדה שלהם התפתחו צורה רב-תאית ענקית תוך שנתיים בלבד. ובאוקטובר, חוקרים ביפן הכריזו על הגילוי שלהם של חיידקים שגדלים למבנים רב-תאיים על קירות מערות; כאשר הסלעים טבולים בנחלים תת-קרקעיים, המבנים פולטים תאים מיוחדים כמו זרעים כדי ליישב מקומות אחרים.

שוורצמן ואן גסטל מאמינים שניהם כי היכולת לרב-תאית התפתחה בשלב מוקדם בתולדות החיים והיא משותפת לבני הדודים הקדומים של חיידקים, הארכאה, שנראים גם הם חד-תאיים. הם חושבים שזה רק עניין של זמן עד שהחוקרים ימצאו מינים אחרים בעלי תכונות דומות - ושוורצמן כבר החל לחפש.

ג'יימס שפירו, מיקרוביולוגית בדימוס מאוניברסיטת שיקגו, אין ספק שהיא תמצא את זה.

החל משנות ה-1980, שפירו ושאר מאורות מיקרוביולוגיה כגון בוני באסלר באוניברסיטת פרינסטון הראו שאורח החיים החד-תאי של חיידקים שנחקרו היטב היה לעתים קרובות חפץ של סביבות הבקבוקים המלאכותיים שבהם הם גדלו. ב מאמר 1998 ב סקירה שנתית של מיקרוביולוגיה, שפירו טען שחיידקים אינם מתבודדים חד-תאיים. "הגעתי למסקנה שבעצם כל החיידקים הם אורגניזמים רב-תאיים", אמר.

במהלך ארבעת העשורים שלו, ראה שפירו את ההשערה שלו הופכת מכפירה לכמעט בלתי ניתנת לערעור. "בהתחלה רק קיבלתי תשומת לב מבולבלת, אבל עכשיו זה הפך לחוכמה קונבנציונלית", אמר. "ריבוי תאי הוא תכונה אינהרנטית של חיידקים."

הערת העורך: Cordero הוא מנהל שותף של שיתוף הפעולה של Simons on Principles of Microbial Ecosystems. המחקר של שוורצמן, קורדרו ועמיתיהם נתמך באמצעות שיתוף הפעולה הזה על ידי קרן סימונס, שגם היא נותנת חסות למגזין עצמאי זה מבחינה עריכה.