Beskrivning
Blunda och föreställ dig bakterier. Du kanske föreställer dig vår tarm Escherichia coli, eller de glänsande gyllene kulorna av stafylokocker, eller korkskruvarna av borrelia-spiroketer. Oavsett art och dess form är chansen stor att ditt sinnesöga frammanar en enda cell, eller kanske flera fritt levande celler.
Problemet med den här bilden, säger mikrobiologen Julia Schwartzman, är att det inte speglar hur de flesta bakterier sannolikt lever. Ofta använder bakterier klibbiga molekyler för att förankra sig på en yta som växer in stora, stabila kollektiv kallas biofilmer. Placket på dina tänder är en biofilm; så även infektioner på katetrar, det slemmiga gröna av dammavskum och smutsen som täpper till ditt badkarsavlopp.
Men Schwartzmans senaste arbete, som hon utförde som postdoktor i labbet av Otto Cordero vid Massachusetts Institute of Technology, visar att även bakterier som flyter i det öppna havet, som saknar en förankringspunkt för att bilda stora konglomerat, finns i flercelliga former.
"Vi såg de här strukturerna som bara var otroliga," sa hon.
Som Schwartzman, Cordero och deras kollegor visade i sina senaste tidningen i Current Biology, uppstod dessa flercelliga former eftersom bakterierna utvecklade en livscykel som är mycket mer komplex än vad som vanligtvis ses hos encelliga organismer.
Företag för middag
Schwartzman kom till dessa upptäckter om multicellularitet i marina bakterier medan han försökte lära sig om något mer grundläggande: hur de äter.
I det öppna havet är ofta den enda energikällan för marina mikrober en gelatinös kolhydrat som kallas alginat. Till skillnad från glukos, fruktos och andra enkla sockerarter som lätt kan passera ett cellmembran, är alginat uppbyggt av långa, lindade strängar som ofta är större än de bakterier som äter på dem. Schwartzman ville veta mer om hur bakterierna kalasar effektivt, eftersom matsmältningsenzymer som de utsöndrar för att bryta ner alginatet lätt kunde spädas ut och svepas bort i det öppna havet.
Det var därför hon och Ali Ebrahimi, en annan postdoc i Corderos labb, började mäta tillväxten av den självlysande marina bakterien Vibrio splendidus i kolvar med varm buljong laddad med alginat. I många mikrobiologiska experiment förser forskare mikrober med ett smörgåsbord av näringsämnen för att uppmuntra cellerna att dela sig så snabbt som möjligt, men Schwartzman och Ebrahimis flaskor tvingade Vibrio bakterier att livnära sig på relativt små mängder överdimensionerade alginatpolymerer, precis som de gör i havet.
Men när Schwartzman började samla in data trodde hon att hon hade gjort ett nybörjarmisstag. När bakterier förökar sig förvandlar de den klara, bärnstensfärgade kulturbuljongen till en grumlig gryta. Genom att mäta grumligheten kunde Schwartzman extrapolera antalet mikrober i kolven och konstruera en tillväxtkurva för att uppskatta hur snabbt cellerna delade sig. Bakteriologer har uppskattat tillväxthastigheter på detta sätt i årtionden. Som postdoc hade Schwartzman tappat räkningen på hur många gånger hon hade gjort detta under åren.
Tillväxtkurvan för henne Vibrio kulturer visade dock inte den vanliga jämnt stigande linjen utan snarare en ojämn krångel som spåret av en berg-och dalbana. Oavsett hur många gånger hon upprepade processen, producerade bakterierna inte den förväntade grumligheten i buljongen.
En mikroskopisk snöglob
För att kontrollera vad som pågick, deponerade Schwartzman en droppe av odlingslösningen på ett objektglas och tittade genom linsen med 40 gångers förstoring. Det hon och Ebrahimi såg var inte svärmar av individer Vibrio utan ganska vackra, skiktade klot bestående av hundratals eller tusentals bakterier som lever tillsammans.
"Det var inte bara en klump av bakterier," sade Schwartzman. "Det är en sfärisk sak, och du kan se cellerna blandas i mitten."
Ytterligare arbete visade att de ihåliga sfärerna var Vibrios lösning på den komplicerade utmaningen att äta till havs. En enskild bakterie kan bara producera så mycket enzym; nedbrytning av alginat går mycket snabbare när Vibrio kan klunga ihop sig. Det är en vinnande strategi, säger Schwartzman - upp till en punkt. Om det är för många Vibrio, antalet bakterier överträffar det tillgängliga alginatet.
Bakterierna löste gåtan genom att utveckla en mer komplex livscykel. Bakterierna lever i tre olika faser. Till en början delar sig en enskild cell upprepade gånger och dottercellerna kryper ihop sig i växande klumpar. I den andra fasen omarrangeras de klumpade cellerna till en ihålig sfär. De yttersta cellerna klistrar ihop sig och bildar något som liknar en mikroskopisk snöglob. Cellerna inuti blir mer rörliga och simmar omkring när de konsumerar det fångade alginatet. I den tredje fasen spricker det spröda yttre lagret, vilket frigör de välmatade inre cellerna för att starta cykeln på nytt.
I själva verket, Vibrio blir en heterogen blandning av celler, där bakterierna använder olika gener för att kontrollera sitt beteende i varje fas. När cellerna interagerar med sina grannar i strukturen är det som framkommer "en överraskande mängd komplexitet", säger Schwartzman, som lanserar sitt eget labb vid University of Southern California i januari. "Bakterierna tar ständigt in information från sin omgivning, och ibland reagerar de på sätt som förändrar miljön."
Denna komplexitet lönar sig Vibrio på flera sätt. Genom att ändra sin livscykel till att omfatta ett flercelligt stadium kan bakterierna smälta alginatet effektivt: Deras antal ökar och det ihåliga skalet hjälper till att koncentrera enzymerna. Samtidigt förhindrar strukturen i samhället att alltför många celler föds. Cellerna i skalet förlorar möjligheten att fortplanta sig, men deras DNA lever i alla fall vidare i nästa generation, eftersom alla celler i orben är kloner.
Hur vanligt är multicellularitet?
Verket är "ett vackert papper", enligt Jordi van Gestel, som studerar utvecklingen av mikrobiell utveckling vid European Molecular Biology Laboratory och inte var involverad i forskningen. Van Gestel säger att resultaten stärker idén att, långt ifrån undantaget, mikrobiell grupplevnad är normen.
"Det illustrerar vackert komplexiteten i livscykeln i så enkla bakterier," sa han.
Anahit Penesyan, en mikrobiolog vid Macquarie University i Australien, säger att Schwartzman och Corderos arbete erbjuder en användbar utmaning för förutfattade meningar om bakterier. "Det är ingraverat i vår förståelse att en mikrob bara är en enda cell," sa hon, och som en konsekvens av detta letar forskare ofta inte efter komplexa beteenden som kan dominera mikrobiellt liv. "Det är som att titta på ett växtfrö eller en spore och försöka sluta sig till hur hela växten är."
Den nya Vibrio fyndet lägger till en växande lista över mikrober som kan bli flercelliga under åtminstone en del av sitt liv. Förra året rapporterade forskare vid Georgia Institute of Technology att encelliga jästsvampar i deras laboratorium utvecklade en stor flercellig form på bara två år. Och i oktober, forskare i Japan meddelade sin upptäckt av bakterier som växer till flercelliga strukturer på väggarna i grottorna; när stenarna är nedsänkta av underjordiska bäckar, skjuter strukturerna ut specialiserade celler som frön för att kolonisera andra platser.
Schwartzman och van Gestel tror båda att en kapacitet för multicellularitet utvecklades tidigt i livets historia och delas med bakteriers gamla kusiner, archaea, som också verkar encelliga. De tror att det bara är en tidsfråga tills forskare hittar andra arter med liknande egenskaper - och Schwartzman har redan börjat leta.
James Shapiro, en pensionerad mikrobiolog från University of Chicago, tvivlar inte mycket på att hon kommer att hitta det.
Med början på 1980-talet, Shapiro och andra mikrobiologiska armaturer som t.ex Bonnie Bassler vid Princeton University visade att den encelliga livsstilen för väl studerade bakterier ofta var en artefakt av de konstgjorda kolvmiljöer där de odlades. I en 1998 artikel i Årlig översyn av mikrobiologi, hävdade Shapiro att bakterier inte är encelliga ensamvargar. "Jag kom till slutsatsen att i princip alla bakterier är flercelliga organismer," sa han.
Under sin karriär på fyra decennier såg Shapiro sin hypotes förvandlas från nästan kättersk till obestridlig. "Först fick jag bara förbryllad uppmärksamhet, men nu har det blivit konventionell visdom," sa han. "Multicellularitet är en inneboende egenskap hos bakterier."
Redaktörens anteckning: Cordero är meddirektör för Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Forskningen av Schwartzman, Cordero och deras kollegor stöddes genom det samarbetet av Simons Foundation, som också sponsrar denna redaktionellt oberoende tidning.
