Introducere
Închideți ochii și imaginați-vă bacterii. Poate îți imaginezi intestinul nostru Escherichia coli, sau bilele aurii strălucitoare ale stafilococului sau buclele de tirbușon ale spirochetelor bolii Lyme. Indiferent de specie și de forma ei, sunt șanse ca ochiul minții tale să evoce o singură celulă, sau poate mai multe celule care trăiesc liber.
Problema cu această imagine, spune microbiologul Julia Schwartzman, este că nu reflectă modul în care majoritatea bacteriilor sunt susceptibile de a trăi. Adesea, bacteriile folosesc molecule lipicioase pentru a se ancora pe o suprafață, în creștere colective mari, stabile numite biofilme. Placa de pe dinți este un biofilm; la fel sunt și infecțiile de pe catetere, verdele vicios al reziduurilor din iaz și murdăria care îți înfundă scurgerea din cadă.
Dar lucrarea recentă a lui Schwartzman, pe care a condus-o în calitate de bursier postdoctoral în laboratorul Otto Cordero de la Massachusetts Institute of Technology, arată că chiar și bacteriile care plutesc în oceanul deschis, cărora le lipsește un punct de ancorare pentru formarea de conglomerate mari, există în forme multicelulare.
„Am văzut aceste structuri care erau pur și simplu incredibile”, a spus ea.
După cum au arătat Schwartzman, Cordero și colegii lor lucrare recentă în Curent Biologie, aceste forme multicelulare au apărut deoarece bacteriile au dezvoltat un ciclu de viață mult mai complex decât se vede de obicei la organismele unicelulare.
Companie pentru cină
Schwartzman a ajuns la aceste descoperiri despre multicelularitatea bacteriilor marine în timp ce încerca să învețe despre ceva mai fundamental: cum mănâncă acestea.
În oceanul deschis, adesea singura sursă de energie pentru microbii marini este un carbohidrat gelatinos numit alginat. Spre deosebire de glucoză, fructoză și alte zaharuri simple care pot traversa cu ușurință membrana celulară, alginatul este alcătuit din fire lungi, încolăcite, care sunt adesea mai mari decât bacteriile care le alimentează. Schwartzman a vrut să afle mai multe despre cum bacteriile se hrănesc eficient, deoarece enzimele digestive pe care le secretă pentru a descompune alginatul ar putea fi ușor diluate și îndepărtate în apele oceanului deschis.
De aceea, ea și Ali Ebrahimi, un alt post-doctorat în laboratorul lui Cordero, au început să măsoare creșterea bacteriei marine luminiscente. Vibrio splendidus în baloane cu bulion cald încărcate cu alginat. În multe experimente de microbiologie, oamenii de știință oferă microbilor un amestec de nutrienți pentru a încuraja celulele să se dividă cât mai repede posibil, dar baloanele lui Schwartzman și Ebrahimi au forțat Vibrio bacteriile să subziste cu cantități relativ mici de polimeri de alginat supradimensionați, la fel ca în mare.
Cu toate acestea, când Schwartzman a început să colecteze date, ea a crezut că a făcut o greșeală de începător. Pe măsură ce bacteriile se înmulțesc, ele transformă bulionul de cultură limpede, de culoarea chihlimbarului, într-o tocană tulbure. Măsurând tulbureala, Schwartzman a putut extrapola numărul de microbi din balon și a construit o curbă de creștere pentru a estima cât de repede se împart celulele. Bacteriologii au estimat ratele de creștere în acest fel de zeci de ani. În calitate de postdoc, Schwartzman pierduse socoteala de câte ori făcuse asta de-a lungul anilor.
Curba de creștere pentru ea Vibrio culturile, totuși, nu prezentau linia obișnuită în creștere lină, ci mai degrabă o mârâială accidentată ca șirul unui roller coaster. Indiferent de câte ori a repetat procesul, bacteriile nu au produs tulbureala așteptată în bulion.
Un glob de zăpadă microscopic
Pentru a verifica ce se întâmplă, Schwartzman a depus o picătură de soluție de cultură pe o lamă de microscop din sticlă și a privit prin lentilă cu o mărire de 40 de ori. Ceea ce au văzut ea și Ebrahimi nu erau roiuri de indivizi Vibrio ci mai degrabă sfere frumoase, stratificate, formate din sute sau mii de bacterii care trăiesc împreună.
„Nu a fost doar o grămadă de bacterii”, a spus Schwartzman. „Este un lucru sferic și poți vedea celulele amestecându-se în mijloc.”
Lucrările ulterioare au arătat că sferele goale au fost Vibriosoluția lui la provocarea complicată de a mânca pe mare. O bacterie individuală poate produce doar atâta enzimă; descompunerea alginatului merge mult mai repede când Vibrio se pot grupa. Este o strategie câștigătoare, spune Schwartzman – până la un punct. Daca sunt prea multi Vibrio, numărul de bacterii depășește alginatul disponibil.
Bacteriile au rezolvat problema prin dezvoltarea unui ciclu de viață mai complex. Bacteriile trăiesc în trei faze distincte. La început, o celulă individuală se împarte în mod repetat, iar celulele fiice se înghesuie în aglomerări în creștere. În a doua fază, celulele aglomerate se rearanjează într-o sferă goală. Celulele cele mai exterioare se lipesc împreună, formând ceva mai degrabă ca un glob de zăpadă microscopic. Celulele din interior devin mai mobile, înotând pe măsură ce consumă alginatul prins. În a treia fază, stratul exterior fragil se rupe, eliberând celulele interioare bine hrănite pentru a începe din nou ciclul.
In efect, Vibrio devin un amestec eterogen de celule, bacteriile folosind gene diferite pentru a-și controla comportamentul în fiecare fază. Pe măsură ce celulele interacționează cu vecinii lor din structură, ceea ce reiese este „o cantitate surprinzătoare de complexitate”, a spus Schwartzman, care își lansează propriul laborator la Universitatea din California de Sud în ianuarie. „Bacteriile preiau în mod constant informații din mediul lor și, uneori, răspund în moduri care schimbă mediul.”
Această complexitate dă roade Vibrio în mai multe feluri. Alterându-și ciclul de viață pentru a include o etapă multicelulară, bacteriile pot digera eficient alginatul: numărul lor crește, iar coaja goală ajută la concentrarea enzimelor. Între timp, structura comunității împiedică nașterea prea multor celule. Celulele din coajă își pierd oportunitatea de a se reproduce, dar ADN-ul lor trăiește oricum în generația următoare, deoarece toate celulele din glob sunt clone.
Cât de comună este multicelularitatea?
Lucrarea este „o hârtie frumoasă”, potrivit Jordi van Gestel, care studiază evoluția dezvoltării microbiene la Laboratorul European de Biologie Moleculară și nu a fost implicat în cercetare. Van Gestel spune că rezultatele susțin ideea că, departe de a fi o excepție, viața de grup microbian este norma.
„Ilustrează frumos complexitatea ciclului de viață în astfel de bacterii simple”, a spus el.
Anahit Penesyan, un microbiolog la Universitatea Macquarie din Australia, spune că munca lui Schwartzman și Cordero oferă o provocare utilă pentru preconcepțiile despre bacterii. „Este gravat în înțelegerea noastră că un microbi este doar o singură celulă”, a spus ea și, în consecință, cercetătorii adesea nu caută comportamente complexe care ar putea domina viața microbiană. „Este ca și cum te-ai uita la o sămânță sau un spor de plantă și ai încerca să deduci cum este întreaga plantă.”
Noul Vibrio descoperirea se adaugă la o listă tot mai mare de microbi care pot deveni multicelulari pentru cel puțin o parte a vieții lor. Anul trecut, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Georgia au raportat că drojdiile unicelulare din laboratorul lor au evoluat a formă multicelulară uriașă în doar doi ani. Și în octombrie, cercetători din Japonia și-au anunțat descoperirea de bacterii care cresc în structuri multicelulare pe pereții peșterilor; atunci când rocile sunt scufundate de fluxurile subterane, structurile ejectează celule specializate, precum semințele, pentru a coloniza alte locații.
Schwartzman și van Gestel cred că o capacitate de multicelularitate a evoluat devreme în istoria vieții și este împărtășită cu verișorii antici ai bacteriilor, arheile, care par, de asemenea, unicelulare. Ei cred că este doar o chestiune de timp până când cercetătorii vor găsi alte specii cu proprietăți similare – iar Schwartzman a început deja să caute.
James Shapiro, un microbiolog pensionar de la Universitatea din Chicago, nu are nicio îndoială că o va găsi.
Începând cu anii 1980, Shapiro și alte corpuri de iluminat din microbiologie, cum ar fi Bonnie Bassler de la Universitatea Princeton a arătat că stilul de viață unicelular al bacteriilor bine studiate a fost adesea un artefact al mediilor din balon artificial în care au fost cultivate. În un articol 1998 în Revizuirea anuală a microbiologiei, Shapiro a susținut că bacteriile nu sunt singuratice unicelulare. „Am ajuns la concluzia că practic toate bacteriile sunt organisme multicelulare”, a spus el.
De-a lungul carierei sale de patru decenii, Shapiro și-a văzut ipoteza transformându-se de la aproape eretică la incontestabilă. „La început, am primit o atenție uimită, dar acum a devenit înțelepciune convențională”, a spus el. „Multicelularitatea este o proprietate inerentă a bacteriilor.”
Nota editorului: Cordero este co-director al Colaborarii Simons pe principiile ecosistemelor microbiene. Cercetarea lui Schwartzman, Cordero și colegii lor a fost susținută prin această colaborare de către Fundația Simons, care sponsorizează și această revistă independentă din punct de vedere editorial.
