Introduksjon
Lukk øynene og forestill deg bakterier. Kanskje du ser for deg tarmen vår Escherichia coli, eller de skinnende gylne kulene til stafylokokker, eller korketrekkerringene til borreliose-spiroketter. Uavhengig av arten og dens form, er sjansen stor for at hjernen din fremmaner en enkelt celle, eller kanskje flere frittlevende celler.
Problemet med dette bildet, sier mikrobiologen Julia Schwartzman, er at det ikke gjenspeiler hvordan de fleste bakterier sannsynligvis vil leve. Ofte bruker bakterier klebrige molekyler for å forankre seg til en overflate som vokser inn store, stabile kollektiver kalt biofilmer. Plaketten på tennene dine er en biofilm; det samme er infeksjoner på katetre, det slimete grønne av damavskum og spruten som tetter til badekaravløpet.
Men Schwartzmans siste arbeid, som hun utførte som postdoktor i laboratoriet til Otto Cordero ved Massachusetts Institute of Technology, viser at selv bakterier som flyter i det åpne hav, som mangler et forankringspunkt for å danne store konglomerater, eksisterer i flercellede former.
"Vi så disse strukturene som bare var utrolige," sa hun.
Som Schwartzman, Cordero og deres kolleger viste i deres nyere papir i Current Biology, oppsto disse flercellede formene fordi bakteriene utviklet en livssyklus som er langt mer kompleks enn det man vanligvis ser hos encellede organismer.
Selskap til middag
Schwartzman kom til disse oppdagelsene om multicellularitet i marine bakterier mens han prøvde å lære om noe mer grunnleggende: hvordan de spiser.
I det åpne hav er ofte den eneste energikilden for marine mikrober et gelatinaktig karbohydrat kalt alginat. I motsetning til glukose, fruktose og andre enkle sukkerarter som lett kan krysse en cellemembran, består alginat av lange, kveilede tråder som ofte er større enn bakteriene som spiser på dem. Schwartzman ønsket å vite mer om hvordan bakteriene fester seg effektivt, siden fordøyelsesenzymene de skiller ut for å bryte ned alginatet lett kunne fortynnes og feies bort i det åpne havvannet.
Derfor begynte hun og Ali Ebrahimi, en annen postdoktor i Corderos laboratorium, å måle veksten av den selvlysende marine bakterien Vibrio splendidus i kolber med varm buljong fylt med alginat. I mange mikrobiologiske eksperimenter gir forskere mikrober et smørebord av næringsstoffer for å oppmuntre cellene til å dele seg så raskt som mulig, men Schwartzman og Ebrahimis flasker tvang Vibrio bakterier for å leve på relativt små mengder overdimensjonerte alginatpolymerer, akkurat som de gjør i havet.
Men da Schwartzman begynte å samle inn data, trodde hun at hun hadde gjort en nybegynnerfeil. Når bakterier formerer seg, forvandler de den klare, ravfargede kulturbuljongen til en grumsete gryterett. Ved å måle uklarheten kunne Schwartzman ekstrapolere antall mikrober i kolben og konstruere en vekstkurve for å estimere hvor raskt cellene delte seg. Bakteriologer har estimert vekstrater på denne måten i flere tiår. Som postdoktor hadde Schwartzman mistet tellingen på hvor mange ganger hun hadde gjort dette i løpet av årene.
Vekstkurven for henne Vibrio kulturer viste imidlertid ikke den vanlige jevnt stigende linjen, men snarere en humpete krølle som sporet til en berg-og-dal-bane. Uansett hvor mange ganger hun gjentok prosessen, produserte ikke bakteriene den forventede uklarheten i buljongen.
En mikroskopisk snøkule
For å sjekke hva som foregikk, deponerte Schwartzman en dråpe av kulturløsningen på et glassmikroskopobjektglass og kikket gjennom linsen med 40 ganger forstørrelse. Det hun og Ebrahimi så var ikke svermer av individer Vibrio men ganske vakre, lagdelte kuler som består av hundrevis eller tusenvis av bakterier som lever sammen.
"Det var ikke bare en klump av bakterier," sa Schwartzman. "Det er en sfærisk ting, og du kan se cellene blande seg i midten."
Videre arbeid viste at de hule kulene var Vibriosin løsning på den kompliserte utfordringen med å spise til sjøs. En individuell bakterie kan produsere bare så mye enzym; bryte ned alginat går mye raskere når Vibrio kan klynges sammen. Det er en vinnende strategi, sier Schwartzman - opp til et punkt. Hvis det er for mange Vibrio, overgår antallet bakterier det tilgjengelige alginatet.
Bakteriene løste gåten ved å utvikle en mer kompleks livssyklus. Bakteriene lever i tre forskjellige faser. Til å begynne med deler en individuell celle seg gjentatte ganger og dattercellene klemmer seg sammen i voksende klumper. I den andre fasen omorganiserer de sammenklumpede cellene seg til en hul kule. De ytterste cellene limer seg sammen og danner noe som ligner en mikroskopisk snøkule. Cellene inni blir mer mobile og svømmer rundt mens de konsumerer det fangede alginatet. I den tredje fasen brister det sprø ytre laget, og frigjør de velnærede indre cellene for å starte syklusen på nytt.
I virkeligheten, Vibrio bli en heterogen blanding av celler, hvor bakteriene bruker forskjellige gener for å kontrollere atferden sin i hver fase. Når cellene samhandler med naboene i strukturen, er det som dukker opp "en overraskende mengde kompleksitet," sa Schwartzman, som lanserer sitt eget laboratorium ved University of South California i januar. "Bakteriene tar stadig inn informasjon fra miljøet, og noen ganger reagerer de på måter som endrer miljøet."
Denne kompleksiteten betaler seg Vibrio på flere måter. Ved å endre livssyklusen til å inkludere et flercellet stadium, kan bakteriene fordøye alginatet effektivt: Antallet øker, og det hule skallet hjelper til med å konsentrere enzymene. I mellomtiden forhindrer strukturen i samfunnet at for mange celler blir født. Cellene i skallet mister muligheten til å formere seg, men deres DNA lever uansett videre i neste generasjon, siden alle cellene i kulen er kloner.
Hvor vanlig er flercellethet?
Verket er "et vakkert papir", ifølge Jordi van Gestel, som studerer utviklingen av mikrobiell utvikling ved European Molecular Biology Laboratory og ikke var involvert i forskningen. Van Gestel sier at resultatene styrker ideen om at mikrobiell gruppeliv, langt fra å være unntaket, er normen.
"Det illustrerer vakkert kompleksiteten til livssyklusen i slike enkle bakterier," sa han.
Anahit Penesyan, en mikrobiolog ved Macquarie University i Australia, sier at Schwartzman og Corderos arbeid byr på en nyttig utfordring til forforståelser om bakterier. "Det er gravert inn i vår forståelse at en mikrobe bare er en enkelt celle," sa hun, og som en konsekvens er forskere ofte ikke ute etter kompleks atferd som kan dominere mikrobielt liv. "Det er som å se på et plantefrø eller en spore og prøve å utlede hvordan hele planten er."
Den nye Vibrio funn legger til en voksende liste over mikrober som kan bli flercellede i minst en del av livet. I fjor rapporterte forskere ved Georgia Institute of Technology at encellede gjær i laboratoriet deres utviklet en stor flercellet form på bare to år. Og i oktober, forskere i Japan kunngjorde oppdagelsen deres av bakterier som vokser til flercellede strukturer på veggene i huler; når steinene er nedsenket av underjordiske bekker, skyter strukturene ut spesialiserte celler som frø for å kolonisere andre steder.
Schwartzman og van Gestel mener begge at en kapasitet for flercellethet utviklet seg tidlig i livets historie og deles med bakterienes eldgamle søskenbarn, archaea, som også virker encellede. De tror det bare er et spørsmål om tid før forskere finner andre arter med lignende egenskaper - og Schwartzman har allerede begynt å lete.
James Shapiro, en pensjonert mikrobiolog fra University of Chicago, har liten tvil om at hun vil finne den.
Fra og med 1980-tallet, Shapiro og andre mikrobiologiske armaturer som f.eks Bonnie Bassler ved Princeton University viste at den encellede livsstilen til godt studerte bakterier ofte var en artefakt av de kunstige flaskemiljøene de ble dyrket i. I en 1998 artikkel i Årlig gjennomgang av mikrobiologi, hevdet Shapiro at bakterier ikke er encellede ensomme. "Jeg kom til den konklusjon at i utgangspunktet alle bakterier er flercellede organismer," sa han.
I løpet av sin fire tiår lange karriere så Shapiro at hypotesen hans forvandlet seg fra nesten kjettersk til uomtvistelig. "Til å begynne med fikk jeg bare forvirret oppmerksomhet, men nå har det blitt konvensjonell visdom," sa han. "Multicellularitet er en iboende egenskap til bakterier."
Redaktørens notat: Cordero er meddirektør for Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Forskningen til Schwartzman, Cordero og deres kolleger ble støttet gjennom dette samarbeidet av Simons Foundation, som også sponser dette redaksjonelt uavhengige magasinet.
