Wprowadzenie
Zamknij oczy i wyobraź sobie bakterie. Może wyobrażasz sobie nasz jelito Escherichia coli, albo lśniące złote kulki gronkowca, albo kręcące się loki krętków boreliozy. Niezależnie od gatunku i kształtu, prawdopodobnie oko twojego umysłu wyczaruje pojedynczą komórkę, a może kilka wolno żyjących komórek.
Problem z tym obrazem, mówi mikrobiolog Julia Szwartzmanjest to, że nie odzwierciedla prawdopodobnego życia większości bakterii. Często bakterie używają lepkich cząsteczek, aby zakotwiczyć się na powierzchni, rosnąc w duże, stabilne kolektywy zwane biofilmami. Płytka na zębach to biofilm; podobnie jak infekcje na cewnikach, śliska zieleń szumowiny ze stawu i maź zatykająca odpływ wanny.
Ale ostatnia praca Schwartzman, którą przeprowadziła jako habilitant w laboratorium Otto Cordero w Massachusetts Institute of Technology pokazuje, że nawet bakterie pływające na otwartym oceanie, które nie mają punktu zakotwiczenia do tworzenia dużych konglomeratów, istnieją w formach wielokomórkowych.
„Widzieliśmy te struktury, które były po prostu niesamowite” – powiedziała.
Jak pokazali Schwartzman, Cordero i ich koledzy w swoich ostatni artykuł w Current Biology, te wielokomórkowe formy powstały, ponieważ bakterie rozwinęły cykl życiowy o wiele bardziej złożony niż zwykle obserwuje się w organizmach jednokomórkowych.
Firma na obiad
Schwartzman doszedł do tych odkryć dotyczących wielokomórkowości u bakterii morskich, próbując dowiedzieć się czegoś bardziej fundamentalnego: tego, jak się odżywiają.
Na otwartym oceanie często jedynym źródłem energii dla drobnoustrojów morskich jest galaretowaty węglowodan zwany alginianem. W przeciwieństwie do glukozy, fruktozy i innych cukrów prostych, które z łatwością przenikają przez błonę komórkową, alginian składa się z długich, zwiniętych pasm, które często są większe niż żywiące się nimi bakterie. Schwartzman chciał dowiedzieć się więcej o tym, jak bakterie ucztują efektywnie, ponieważ wydzielane przez nie enzymy trawienne w celu rozbicia alginianu można łatwo rozcieńczyć i zmieść w otwartych wodach oceanicznych.
Dlatego ona i Ali Ebrahimi, kolejny postdoc w laboratorium Cordero, zaczęli mierzyć wzrost luminescencyjnej bakterii morskiej Wibrio splendidus w kolbach z ciepłym bulionem wypełnionym alginianem. W wielu eksperymentach mikrobiologicznych naukowcy dostarczają drobnoustrojom bogaty zestaw składników odżywczych, aby zachęcić komórki do jak najszybszego podziału, ale kolby Schwartzmana i Ebrahimiego wymusiły Vibrio bakterie żywią się stosunkowo niewielkimi ilościami zbyt dużych polimerów alginianowych, tak jak w morzu.
Jednak kiedy Schwartzman zaczął zbierać dane, pomyślała, że popełniła błąd nowicjusza. W miarę namnażania się bakterii, przeźroczysty, bursztynowy bulion kulturowy przekształca się w mętny gulasz. Mierząc mętność, Schwartzman mógł ekstrapolować liczbę drobnoustrojów w kolbie i skonstruować krzywą wzrostu w celu oszacowania szybkości podziału komórek. Bakteriolodzy szacują w ten sposób tempo wzrostu od dziesięcioleci. Jako postdoc Schwartzman straciła rachubę, ile razy zrobiła to w ciągu tych lat.
Krzywa wzrostu dla niej Vibrio kultury jednak nie pokazywały zwykłej, płynnie wznoszącej się linii, ale raczej wyboistą, jak tor kolejki górskiej. Bez względu na to, ile razy powtarzała ten proces, bakteria nie powodowała oczekiwanego zmętnienia bulionu.
Mikroskopijna kula śnieżna
Aby sprawdzić, co się dzieje, Schwartzman umieścił kroplę roztworu hodowlanego na szkiełku mikroskopowym i patrzył przez soczewkę przy 40-krotnym powiększeniu. To, co widzieli ona i Ebrahimi, nie było rojami jednostek Vibrio ale raczej piękne, warstwowe kule składające się z setek lub tysięcy żyjących razem bakterii.
„To nie była zwykła kropla bakterii” – powiedział Schwartzman. „To jest kula i widać, jak komórki mieszają się w środku”.
Dalsze prace wykazały, że puste kule były Vibriorozwiązanie skomplikowanego wyzwania, jakim jest jedzenie na morzu. Pojedyncza bakteria może wyprodukować tylko tyle enzymu; rozkład alginianu przebiega znacznie szybciej, gdy Vibrio mogą się zgrupować. To zwycięska strategia, mówi Schwartzman – do pewnego momentu. Jeśli jest ich za dużo Vibrioliczba bakterii przewyższa dostępny alginian.
Bakterie rozwiązały zagadkę, rozwijając bardziej złożony cykl życiowy. Bakterie żyją w trzech różnych fazach. Na początku pojedyncza komórka dzieli się wielokrotnie, a komórki potomne gromadzą się w rosnących skupiskach. W drugiej fazie zbite komórki przekształcają się w pustą kulę. Najbardziej zewnętrzne komórki sklejają się, tworząc coś w rodzaju mikroskopijnej kuli śnieżnej. Komórki wewnątrz stają się bardziej mobilne, pływając, gdy konsumują uwięziony alginian. W trzeciej fazie łamliwa warstwa zewnętrzna pęka, uwalniając dobrze odżywione komórki wewnętrzne, aby rozpocząć cykl od nowa.
W efekcie, Vibrio stają się heterogeniczną mieszaniną komórek, w której bakterie wykorzystują różne geny do kontrolowania swojego zachowania w każdej fazie. Gdy komórki wchodzą w interakcję z sąsiadami w strukturze, pojawia się „zadziwiająca ilość złożoności”, powiedziała Schwartzman, która w styczniu otwiera własne laboratorium na Uniwersytecie Południowej Kalifornii. „Bakterie nieustannie pobierają informacje ze swojego środowiska i czasami reagują w sposób, który zmienia środowisko”.
Ta złożoność się opłaca Vibrio na kilka sposobów. Zmieniając swój cykl życiowy tak, aby obejmował etap wielokomórkowy, bakterie mogą wydajnie trawić alginian: ich liczba wzrasta, a pusta skorupa pomaga skoncentrować enzymy. Tymczasem struktura społeczności uniemożliwia narodziny zbyt wielu komórek. Komórki w muszli tracą możliwość reprodukcji, ale ich DNA i tak żyje w następnym pokoleniu, ponieważ wszystkie komórki w kuli są klonami.
Jak powszechna jest wielokomórkowość?
Praca to „piękny papier”, według Jordiego van Gestela, który bada ewolucję rozwoju drobnoustrojów w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej i nie był zaangażowany w badania. Van Gestel mówi, że wyniki potwierdzają pogląd, że życie w grupie drobnoustrojów nie jest wyjątkiem, ale normą.
„Pięknie ilustruje złożoność cyklu życiowego tak prostych bakterii” – powiedział.
Anahit Penesyan, mikrobiolog z Macquarie University w Australii, twierdzi, że praca Schwartzmana i Cordero stanowi przydatne wyzwanie dla uprzedzeń na temat bakterii. „Jest wyryte w naszym zrozumieniu, że drobnoustrój to tylko pojedyncza komórka” – powiedziała. W rezultacie naukowcy często nie szukają złożonych zachowań, które mogłyby zdominować życie drobnoustrojów. „To tak, jakby patrzeć na nasiono rośliny lub zarodnik i próbować wywnioskować, jaka jest cała roślina”.
Nowa Vibrio odkrycie to dodaje do rosnącej listy drobnoustrojów, które mogą stać się wielokomórkowe przynajmniej przez część swojego życia. W zeszłym roku naukowcy z Georgia Institute of Technology poinformowali, że jednokomórkowe drożdże w ich laboratorium wyewoluowały ogromna wielokomórkowa forma w ciągu zaledwie dwóch lat. A w październiku naukowcy w Japonii ogłosił swoje odkrycie bakterii, które rozwijają się w wielokomórkowe struktury na ścianach jaskiń; kiedy skały są zanurzone w podziemnych strumieniach, struktury wyrzucają wyspecjalizowane komórki, takie jak nasiona, aby skolonizować inne miejsca.
Schwartzman i van Gestel uważają, że zdolność do wielokomórkowości rozwinęła się na początku historii życia i jest dzielona ze starożytnymi kuzynami bakterii, archeonami, które również wydają się jednokomórkowe. Uważają, że to tylko kwestia czasu, zanim naukowcy znajdą inne gatunki o podobnych właściwościach — a Schwartzman już zaczął szukać.
Jakub Szapiro, emerytowana mikrobiolog z University of Chicago, nie ma wątpliwości, że ją odnajdzie.
Począwszy od lat 1980. Shapiro i inni luminarze mikrobiologii, tacy jak Bonnie Basler na Uniwersytecie Princeton wykazał, że jednokomórkowy styl życia dobrze zbadanych bakterii był często wytworem środowiska sztucznych kolb, w których były hodowane. W artykuł 1998 Roczny przegląd mikrobiologiiShapiro twierdził, że bakterie nie są jednokomórkowymi samotnikami. „Doszedłem do wniosku, że w zasadzie wszystkie bakterie to organizmy wielokomórkowe” – powiedział.
W ciągu swojej czteroletniej kariery Shapiro widział, jak jego hipoteza przekształciła się z niemal heretyckiej w niepodważalną. „Na początku zwracałem na siebie tylko oszołomioną uwagę, ale teraz stało się to konwencjonalną mądrością” – powiedział. „Wielokomórkowość jest nieodłączną właściwością bakterii”.
Od redakcji: Cordero jest współdyrektorem Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Badania Schwartzmana, Cordero i ich kolegów były wspierane dzięki tej współpracy przez Simons Foundation, która jest również sponsorem tego niezależnego redakcyjnie magazynu.
