แบคทีเรียในมหาสมุทรเผยรูปแบบหลายเซลล์ที่ไม่คาดคิด

หลับตาแล้วจินตนาการถึงแบคทีเรีย บางทีคุณอาจกำลังนึกภาพลำไส้ของเราอยู่ เชื้อ Escherichia coli, หรือลูกบอลสีทองแวววาวของเชื้อ Staphylococcus หรือเกลียวเกลียวของโรค Lyme spirochetes โดยไม่คำนึงถึงสปีชีส์และรูปร่างของมัน โอกาสที่จิตใจของคุณจะสร้างเซลล์เดียวหรือเซลล์ที่มีชีวิตอิสระหลายเซลล์

ปัญหาของภาพนี้ จุลชีววิทยา จูเลีย ชวาร์ตซ์แมนคือไม่ได้สะท้อนว่าแบคทีเรียส่วนใหญ่มีแนวโน้มที่จะมีชีวิตอยู่อย่างไร บ่อยครั้ง แบคทีเรียใช้โมเลกุลที่เหนียวเหนอะหนะเพื่อยึดตัวเองกับพื้นผิว เติบโตใน กลุ่มใหญ่และมั่นคง เรียกว่าไบโอฟิล์ม คราบพลัคบนฟันของคุณคือไบโอฟิล์ม เช่นเดียวกับการติดเชื้อที่สายสวน ขยะสีเขียวเป็นเมือกและขยะอุดตันท่อระบายน้ำในอ่างอาบน้ำของคุณ

แต่งานล่าสุดของ Schwartzman ซึ่งเธอดำเนินการในฐานะเพื่อนดุษฎีบัณฑิตในห้องทดลองของ อ็อตโต คอร์เดโร ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ แสดงให้เห็นว่าแม้แต่แบคทีเรียที่ลอยอยู่ในมหาสมุทรเปิด ซึ่งไม่มีจุดยึดสำหรับการก่อตัวของกลุ่มบริษัทขนาดใหญ่ ก็ยังมีอยู่ในรูปแบบหลายเซลล์

“เราเห็นโครงสร้างเหล่านี้ที่น่าทึ่งมาก” เธอกล่าว

ดังที่ Schwartzman Cordero และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นใน กระดาษล่าสุดใน ชีววิทยาปัจจุบันรูปแบบหลายเซลล์เหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากแบคทีเรียพัฒนาวงจรชีวิตที่ซับซ้อนกว่าปกติที่พบในสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียว

บริษัทสำหรับอาหารค่ำ

Schwartzman ได้ค้นพบเกี่ยวกับเซลล์หลายเซลล์ในแบคทีเรียในทะเล ขณะที่พยายามเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งที่เป็นพื้นฐานมากกว่า นั่นคือวิธีที่พวกมันกิน

ในมหาสมุทรเปิด มักเป็นแหล่งพลังงานเดียวสำหรับจุลินทรีย์ในทะเลคือคาร์โบไฮเดรตเจลาตินที่เรียกว่าแอลจิเนต ไม่เหมือนน้ำตาลกลูโคส ฟรุกโตส และน้ำตาลทั่วไปอื่นๆ ที่สามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างง่ายดาย แอลจิเนตประกอบด้วยเส้นขดยาวที่มักมีขนาดใหญ่กว่าแบคทีเรียที่กินเข้าไป Schwartzman ต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการเลี้ยงแบคทีเรียอย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากเอ็นไซม์ย่อยอาหารที่พวกมันหลั่งออกมาเพื่อทำลายอัลจิเนตสามารถเจือจางและกวาดทิ้งไปในน่านน้ำเปิดได้อย่างง่ายดาย

นั่นเป็นเหตุผลที่เธอและอาลี เอบราฮิมี นักวิจัยหลังปริญญาเอกอีกคนในห้องทดลองของคอร์เดโร เริ่มตรวจวัดการเจริญเติบโตของแบคทีเรียในทะเลเรืองแสง วิบริโอ สเปลนดิดัส ในขวดน้ำซุปอุ่น ๆ ที่ใส่แอลจิเนต ในการทดลองทางจุลชีววิทยาหลายครั้ง นักวิทยาศาสตร์ได้จัดเตรียมจุลชีพที่มีสารอาหารเพื่อกระตุ้นให้เซลล์แบ่งตัวโดยเร็วที่สุด แต่ขวดของชวาร์ตษ์มันและเอบราฮิมีบังคับให้ Vibrio แบคทีเรียจะคงอยู่ด้วยพอลิเมอร์อัลจิเนตขนาดใหญ่ที่มีขนาดค่อนข้างน้อย เช่นเดียวกับที่พบในทะเล

แต่เมื่อ Schwartzman เริ่มรวบรวมข้อมูล เธอคิดว่าเธอทำผิดพลาดมือใหม่ เมื่อแบคทีเรียเพิ่มจำนวนขึ้น พวกมันจะเปลี่ยนน้ำซุปใสสีเหลืองอำพันให้กลายเป็นสตูที่ขุ่นมัว โดยการวัดความขุ่น Schwartzman สามารถคาดการณ์จำนวนจุลินทรีย์ในขวดและสร้างเส้นโค้งการเติบโตเพื่อประเมินว่าเซลล์แบ่งได้เร็วแค่ไหน นักแบคทีเรียวิทยาประเมินอัตราการเติบโตด้วยวิธีนี้มานานหลายทศวรรษ ในฐานะที่เป็น postdoc Schwartzman ได้สูญเสียจำนวนครั้งที่เธอทำสิ่งนี้ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

เส้นโค้งการเติบโตสำหรับเธอ Vibrio อย่างไรก็ตาม วัฒนธรรมไม่ได้แสดงให้เห็นเส้นที่พุ่งขึ้นอย่างราบรื่นตามปกติ แต่กลับเป็นรอยหยักเป็นหลุมเป็นบ่อเหมือนรางรถไฟเหาะ ไม่ว่าเธอจะทำซ้ำกี่ครั้งก็ตาม แบคทีเรียก็ไม่ทำให้เกิดความขุ่นตามที่คาดไว้ในน้ำซุป

ลูกโลกหิมะด้วยกล้องจุลทรรศน์

เพื่อตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้น Schwartzman วางหยดสารละลายวัฒนธรรมบนสไลด์กล้องจุลทรรศน์แก้วและมองผ่านเลนส์ด้วยกำลังขยาย 40 เท่า สิ่งที่เธอและเอบราฮิมีเห็นไม่ใช่กลุ่มของปัจเจกบุคคล Vibrio แต่ค่อนข้างสวยงาม เป็นลูกกลมหลายชั้นซึ่งประกอบด้วยแบคทีเรียนับร้อยนับพันที่อาศัยอยู่ร่วมกัน

Schwartzman กล่าวว่า "ไม่ใช่แค่แบคทีเรียเพียงหยดเดียว “มันเป็นทรงกลม และคุณสามารถเห็นเซลล์ผสมอยู่ตรงกลาง”

งานเพิ่มเติมพบว่าทรงกลมกลวงคือ Vibrioทางออกของความท้าทายที่ซับซ้อนของการรับประทานอาหารในทะเล แบคทีเรียแต่ละตัวสามารถผลิตเอนไซม์ได้มากเท่านั้น การสลายตัวของแอลจิเนตจะเร็วขึ้นมากเมื่อ Vibrio สามารถรวมกลุ่มกันได้ เป็นกลยุทธ์ที่ชนะ Schwartzman กล่าว - จนถึงจุดหนึ่ง หากมีมากเกินไป Vibrioจำนวนของแบคทีเรียมีมากกว่าแอลจิเนตที่มีอยู่

แบคทีเรียแก้ไขปริศนาโดยการพัฒนาวงจรชีวิตที่ซับซ้อนมากขึ้น แบคทีเรียอาศัยอยู่ในสามขั้นตอนที่แตกต่างกัน ในตอนแรก เซลล์แต่ละเซลล์จะแบ่งตัวซ้ำแล้วซ้ำเล่า และเซลล์ลูกสาวจะรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อนที่กำลังเติบโต ในระยะที่สอง เซลล์ที่กระจุกตัวจะจัดเรียงตัวเองใหม่ให้เป็นทรงกลมกลวง เซลล์ชั้นนอกสุดติดกาวเข้าด้วยกัน ก่อตัวค่อนข้างคล้ายกับลูกโลกหิมะด้วยกล้องจุลทรรศน์ เซลล์ภายในเคลื่อนตัวได้มากขึ้น ว่ายไปมาเมื่อกินแอลจิเนตที่ติดอยู่ ในระยะที่สาม ชั้นนอกที่เปราะบางจะแตกออก ปล่อยเซลล์ภายในที่ได้รับอาหารอย่างดีเพื่อเริ่มวงจรใหม่

ส่งผลกับ, Vibrio กลายเป็นส่วนผสมของเซลล์ต่างชนิดกัน โดยที่แบคทีเรียใช้ยีนที่แตกต่างกันเพื่อควบคุมพฤติกรรมในแต่ละระยะ เมื่อเซลล์มีปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนบ้านในโครงสร้าง สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ “ความซับซ้อนจำนวนมหาศาลอย่างน่าประหลาดใจ” Schwartzman ซึ่งกำลังเปิดตัวห้องปฏิบัติการของเธอเองที่มหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียในเดือนมกราคม กล่าว “แบคทีเรียรับข้อมูลจากสิ่งแวดล้อมอยู่ตลอดเวลา และบางครั้งพวกมันก็ตอบสนองในลักษณะที่เปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อม”

ความซับซ้อนนี้จ่ายออกไปสำหรับ Vibrio ได้หลายวิธี โดยการเปลี่ยนวงจรชีวิตให้รวมระยะหลายเซลล์ แบคทีเรียสามารถย่อยอัลจิเนตได้อย่างมีประสิทธิภาพ: จำนวนของพวกมันเพิ่มขึ้น และเปลือกกลวงช่วยให้เอนไซม์มีสมาธิ ในขณะเดียวกัน โครงสร้างของชุมชนก็ป้องกันไม่ให้เซลล์เกิดมากเกินไป เซลล์ในเปลือกสูญเสียโอกาสในการสืบพันธุ์ แต่ DNA ของพวกมันยังคงอยู่ในรุ่นต่อไป เนื่องจากเซลล์ทั้งหมดในลูกกลมนั้นเป็นโคลน

Multicellularity เป็นเรื่องธรรมดาแค่ไหน?

ผลงานคือ “กระดาษที่สวยงาม” ตาม จอร์ดี้ ฟาน เกสเทลผู้ศึกษาวิวัฒนาการของการพัฒนาจุลินทรีย์ที่ European Molecular Biology Laboratory และไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัย Van Gestel กล่าวว่าผลลัพธ์ที่ได้สนับสนุนแนวคิดที่ว่าการดำรงอยู่ของกลุ่มจุลินทรีย์เป็นบรรทัดฐานที่ห่างไกลจากข้อยกเว้น

"มันแสดงให้เห็นได้อย่างสวยงามถึงความซับซ้อนของวงจรชีวิตของแบคทีเรียธรรมดาๆ เช่นนี้" เขากล่าว

อนาหิต เปเนเซียนนักจุลชีววิทยาจากมหาวิทยาลัย Macquarie ในออสเตรเลียกล่าวว่างานของ Schwartzman และ Cordero เสนอความท้าทายที่เป็นประโยชน์ต่ออคติเกี่ยวกับแบคทีเรีย "มันตราตรึงอยู่ในความเข้าใจของเราว่าจุลินทรีย์เป็นเพียงเซลล์เดียว" เธอกล่าว และด้วยเหตุนี้ นักวิจัยมักไม่มองหาพฤติกรรมที่ซับซ้อนที่อาจครอบงำชีวิตของจุลินทรีย์ “มันเหมือนกับการดูเมล็ดพืชหรือสปอร์และพยายามอนุมานว่าพืชทั้งต้นเป็นอย่างไร”

ใหม่ Vibrio การค้นพบช่วยเพิ่มรายชื่อจุลินทรีย์ที่สามารถกลายเป็นหลายเซลล์ได้อย่างน้อยก็ส่วนหนึ่งของชีวิต ปีที่แล้ว นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจียรายงานว่ายีสต์ที่มีเซลล์เดียวในห้องปฏิบัติการของพวกมันมีวิวัฒนาการ a รูปแบบหลายเซลล์ขนาดใหญ่ ในเวลาเพียงสองปี และในเดือนตุลาคม นักวิจัยในญี่ปุ่น ประกาศการค้นพบของพวกเขา ของแบคทีเรียที่เจริญเป็นโครงสร้างหลายเซลล์ตามผนังถ้ำ เมื่อโขดหินจมอยู่ใต้กระแสน้ำใต้ดิน โครงสร้างจะปล่อยเซลล์พิเศษ เช่น เมล็ดพืชเพื่อไปตั้งรกรากที่อื่นๆ

Schwartzman และ van Gestel ต่างเชื่อว่าความสามารถในการสร้างเซลล์หลายเซลล์นั้นวิวัฒนาการมาตั้งแต่ต้นประวัติศาสตร์ของชีวิต และมีการแบ่งปันกับญาติในสมัยโบราณของแบคทีเรีย ที่ชื่อ Archaea ซึ่งดูเหมือนมีเซลล์เดียวเช่นกัน พวกเขาคิดว่ามันเป็นเพียงเรื่องของเวลาเท่านั้นที่นักวิจัยจะพบสายพันธุ์อื่นที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน – และ Schwartzman ก็เริ่มมองหาแล้ว

เจมส์ชาปิโรนักจุลชีววิทยาที่เกษียณอายุแล้วจากมหาวิทยาลัยชิคาโก มีข้อสงสัยเล็กน้อยว่าเธอจะพบมัน

เริ่มต้นในทศวรรษ 1980 ชาปิโรและผู้ทรงคุณวุฒิด้านจุลชีววิทยาอื่นๆ เช่น บอนนี่ บาสเลอร์ ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันแสดงให้เห็นว่ารูปแบบการใช้ชีวิตเซลล์เดียวของแบคทีเรียที่ได้รับการศึกษามาอย่างดีมักเป็นสิ่งประดิษฐ์ของสภาพแวดล้อมในขวดประดิษฐ์ที่พวกมันเติบโต ใน บทความ 1998 ใน การทบทวนจุลชีววิทยาประจำปีชาปิโรแย้งว่าแบคทีเรียไม่ใช่เซลล์เดียว "ฉันได้ข้อสรุปว่าโดยพื้นฐานแล้วแบคทีเรียทั้งหมดเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์" เขากล่าว

ตลอดอาชีพการทำงานสี่ทศวรรษของเขา ชาปิโรเห็นสมมติฐานของเขาเปลี่ยนจากที่เกือบจะนอกรีตไปเป็นแบบที่ไม่สามารถโต้แย้งได้ “ในตอนแรก ฉันแค่สนใจแต่ตอนนี้กลายเป็นภูมิปัญญาดั้งเดิมไปแล้ว” เขากล่าว “หลายเซลล์เป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของแบคทีเรีย”

หมายเหตุบรรณาธิการ: Cordero เป็นผู้อำนวยการร่วมของ Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems การวิจัยโดย Schwartzman, Cordero และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาได้รับการสนับสนุนผ่านการทำงานร่วมกันโดยมูลนิธิ Simons ซึ่งสนับสนุนนิตยสารอิสระด้านบรรณาธิการนี้ด้วย