Введение
Закройте глаза и представьте бактерии. Возможно, вы представляете наши кишечные Кишечная палочка, или блестящие золотые шарики стафилококка, или штопорообразные колечки спирохет болезни Лайма. Независимо от вида и формы, скорее всего, ваш мысленный взор вызвал в воображении единственную клетку или, может быть, несколько свободноживущих клеток.
Проблема с этим изображением, говорит микробиолог Юлия Шварцман, заключается в том, что он не отражает того, как, вероятно, живут большинство бактерий. Часто бактерии используют липкие молекулы, чтобы закрепиться на поверхности. большие, стабильные коллективы называются биопленками. Налет на ваших зубах представляет собой биопленку; то же самое происходит с инфекциями на катетерах, слизистой зеленью прудовой пены и грязью, забивающей слив в ванне.
Но недавняя работа Шварцман, которую она вела в качестве научного сотрудника в лаборатории Отто Кордеро в Массачусетском технологическом институте показывает, что даже плавающие в открытом океане бактерии, у которых нет точки привязки для образования больших конгломератов, существуют в многоклеточных формах.
«Мы видели эти структуры, которые были просто невероятными», — сказала она.
Как показали Шварцман, Кордеро и их коллеги в своем недавняя статья в Current BiologyЭти многоклеточные формы возникли из-за того, что у бактерий развился гораздо более сложный жизненный цикл, чем обычно наблюдается у одноклеточных организмов.
Компания на ужин
Шварцман пришел к этим открытиям о многоклеточности морских бактерий, пытаясь узнать что-то более фундаментальное: как они питаются.
В открытом океане часто единственным источником энергии для морских микробов является желеобразный углевод, называемый альгинатом. В отличие от глюкозы, фруктозы и других простых сахаров, которые легко проникают через клеточную мембрану, альгинат состоит из длинных спиральных нитей, которые часто больше, чем бактерии, питающиеся ими. Шварцман хотел узнать больше о том, как бактерии питаются эффективно, поскольку пищеварительные ферменты, которые они выделяют для расщепления альгината, могут быть легко растворены и смыты в водах открытого океана.
Вот почему она и Али Эбрахими, еще один постдоктор в лаборатории Кордеро, начали измерять рост люминесцентной морской бактерии. Великолепный вибрион в колбах с теплым бульоном с альгинатом. Во многих микробиологических экспериментах ученые снабжают микробов «шведским столом» из питательных веществ, чтобы стимулировать деление клеток как можно быстрее, но колбы Шварцмана и Эбрахими заставили вибрион бактерии питаются относительно небольшими количествами альгинатных полимеров большого размера, как они это делают в море.
Тем не менее, когда Шварцман начала собирать данные, она подумала, что совершила ошибку новичка. По мере размножения бактерий они превращают прозрачную культуральную среду янтарного цвета в мутную похлебку. Измерив мутность, Шварцман смог экстраполировать количество микробов в колбе и построить кривую роста, чтобы оценить скорость деления клеток. Таким образом, бактериологи десятилетиями оценивали темпы роста. Будучи постдоком, Шварцман потеряла счет тому, сколько раз она делала это за эти годы.
Кривая роста для нее вибрион культуры, однако, показывали не обычную плавно поднимающуюся линию, а скорее ухабистую закорючку, похожую на след американских горок. Сколько бы раз она ни повторяла этот процесс, бактерии не вызывали ожидаемого помутнения бульона.
Микроскопический снежный шар
Чтобы проверить, что происходит, Шварцман поместил каплю культурального раствора на предметное стекло микроскопа и посмотрел через линзу при 40-кратном увеличении. То, что они с Эбрахими увидели, не было роем отдельных вибрион а довольно красивые, слоистые шары, состоящие из сотен или тысяч бактерий, живущих вместе.
«Это была не просто капля бактерий», — сказал Шварцман. «Это сферическая вещь, и вы можете видеть, как клетки смешиваются посередине».
Дальнейшая работа показала, что полые сферы вибрионрешение сложной проблемы еды в море. Отдельная бактерия может производить только определенное количество фермента; расщепление альгината идет намного быстрее, когда вибрион могут группироваться вместе. По словам Шварцмана, это выигрышная стратегия — до определенного момента. Если их слишком много вибрион, количество бактерий превышает доступный альгинат.
Бактерии разрешили загадку, развивая более сложный жизненный цикл. Бактерии живут в трех различных фазах. Сначала отдельная клетка многократно делится, а дочерние клетки собираются в растущие скопления. На втором этапе слипшиеся клетки перестраиваются в полую сферу. Самые отдаленные клетки склеиваются между собой, образуя что-то вроде микроскопического снежного шара. Клетки внутри становятся более подвижными, плавая по мере того, как они потребляют захваченный альгинат. На третьем этапе хрупкий внешний слой разрывается, высвобождая сытые внутренние клетки, чтобы начать цикл заново.
В результате, вибрион становятся гетерогенной смесью клеток, причем бактерии используют разные гены для управления своим поведением на каждой фазе. По мере того, как клетки взаимодействуют со своими соседями по структуре, возникает «удивительная сложность», — сказала Шварцман, которая в январе открывает свою собственную лабораторию в Университете Южной Калифорнии. «Бактерии постоянно получают информацию из окружающей среды, и иногда они реагируют таким образом, что среда меняется».
Эта сложность окупается вибрион несколькими способами. Изменив свой жизненный цикл, включив в него многоклеточную стадию, бактерии могут эффективно переваривать альгинат: их количество увеличивается, а полая оболочка помогает концентрировать ферменты. Между тем структура сообщества не позволяет рождаться слишком большому количеству клеток. Клетки в оболочке теряют возможность размножаться, но их ДНК все равно живет в следующем поколении, поскольку все клетки в шаре являются клонами.
Насколько распространена многоклеточность?
Работа представляет собой «прекрасную бумагу», по словам Хорди ван Гестель, изучающий эволюцию микробного развития в Европейской лаборатории молекулярной биологии и не принимавший участия в исследованиях. Ван Гестель говорит, что результаты подтверждают идею о том, что микробная групповая жизнь — это не исключение, а норма.
«Это прекрасно иллюстрирует сложность жизненного цикла таких простых бактерий», — сказал он.
Анаит Пенесян, микробиолог из Университета Маккуори в Австралии, говорит, что работа Шварцмана и Кордеро предлагает полезный вызов предубеждениям о бактериях. «В нашем понимании микроб — это всего лишь одна клетка», — сказала она, и, как следствие, исследователи часто не ищут сложного поведения, которое может доминировать в микробной жизни. «Это все равно, что смотреть на семя или спору растения и пытаться понять, на что похоже все растение».
Новый вибрион открытие пополняет растущий список микробов, которые могут стать многоклеточными, по крайней мере, часть своей жизни. В прошлом году исследователи из Технологического института Джорджии сообщили, что одноклеточные дрожжи в их лаборатории развили огромная многоклеточная форма всего за два года. А в октябре исследователи в Японии объявили о своем открытии бактерий, вырастающих в многоклеточные структуры на стенах пещер; когда камни погружаются в подземные потоки, структуры выбрасывают специализированные клетки, подобные семенам, для колонизации других мест.
Шварцман и ван Гестель оба считают, что способность к многоклеточности развилась в начале истории жизни и присуща древним кузенам бактерий, археям, которые также кажутся одноклеточными. Они думают, что это всего лишь вопрос времени, пока исследователи не найдут другие виды с похожими свойствами, и Шварцман уже начал поиски.
Джеймс Шапиро, микробиолог на пенсии из Чикагского университета, почти не сомневается, что найдет его.
Начиная с 1980-х годов Шапиро и другие светила микробиологии, такие как Бонни Басслер в Принстонском университете показали, что одноклеточный образ жизни хорошо изученных бактерий часто был артефактом искусственной среды колб, в которой они выращивались. В статья 1998 в Ежегодный обзор микробиологииШапиро утверждал, что бактерии не являются одноклеточными одиночками. «Я пришел к выводу, что в основном все бактерии — это многоклеточные организмы, — сказал он.
За свою четырехдесятилетнюю карьеру Шапиро увидел, как его гипотеза трансформировалась из почти еретической в неопровержимую. «Сначала я получил просто ошеломленное внимание, но теперь это стало общепринятым мнением», — сказал он. «Многоклеточность — неотъемлемое свойство бактерий».
Примечание редактора: Кордеро является содиректором Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Исследование Шварцмана, Кордеро и их коллег было поддержано благодаря этому сотрудничеству Фондом Саймонса, который также спонсирует этот редакционно независимый журнал.
