Вступ
Закрийте очі і уявіть бактерії. Можливо, ви уявляєте наш кишечник Кишкова паличка, або блискучі золотисті кульки стафілококів, або штопорні кільця спірохет хвороби Лайма. Незалежно від виду та його форми, швидше за все, ваше уявне око відчуло одну клітину або, можливо, кілька вільноживучих клітин.
Проблема з цим зображенням, каже мікробіолог Юлія Шварцман, полягає в тому, що він не відображає те, як імовірно живе більшість бактерій. Часто бактерії використовують липкі молекули, щоб закріпитися на поверхні, рости в ній великі стабільні колективи називаються біоплівки. Наліт на ваших зубах – це біоплівка; також інфекції на катетерах, слизька зелень накипу зі ставка та бруд, що засмічує злив ванни.
Але нещодавня робота Шварцман, яку вона проводила як докторант у лабораторії ім. Отто Кордеро в Массачусетському технологічному інституті показує, що навіть бактерії, плаваючі у відкритому океані, які не мають опорної точки для утворення великих конгломератів, існують у багатоклітинних формах.
«Ми бачили ці споруди, які були просто неймовірними», — сказала вона.
Як показали Шварцман, Кордеро та їхні колеги останній папір в Current Biology, ці багатоклітинні форми виникли тому, що бактерії розвинули життєвий цикл, набагато складніший, ніж зазвичай спостерігається в одноклітинних організмах.
Компанія на вечерю
Шварцман прийшов до цих відкриттів про багатоклітинність морських бактерій, намагаючись дізнатися про щось більш фундаментальне: як вони харчуються.
У відкритому океані часто єдиним джерелом енергії для морських мікробів є драглистий вуглевод під назвою альгінат. На відміну від глюкози, фруктози та інших простих цукрів, які легко проникають через клітинну мембрану, альгінат складається з довгих згорнутих ниток, які часто більші за розміри бактерій, які живуть на них. Шварцман хотів дізнатися більше про те, як бактерії ефективно бенкетують, оскільки травні ферменти, які вони виділяють для розщеплення альгінату, можуть бути легко розведені та винесені у відкриті океанські води.
Ось чому вона та Алі Ебрагімі, інший постдок в лабораторії Кордеро, почали вимірювати ріст люмінесцентної морської бактерії Vibrio splendidus в колбах з теплим бульйоном, заповненим альгінатом. У багатьох мікробіологічних експериментах вчені забезпечують мікроби шведським столом поживних речовин, щоб спонукати клітини ділитися якомога швидше, але колби Шварцмана та Ебрагімі змусили вібріон бактерії живуть на відносно невеликих кількостях великих альгінатних полімерів, як це відбувається в морі.
Але коли Шварцман почала збирати дані, вона подумала, що зробила початкову помилку. Коли бактерії розмножуються, вони перетворюють прозорий культуральний бульйон бурштинового кольору на каламутне рагу. Вимірюючи каламутність, Шварцман міг екстраполювати кількість мікробів у колбі та побудувати криву росту, щоб оцінити, наскільки швидко клітини діляться. Бактеріологи десятиліттями оцінювали швидкість росту. Будучи постдоктором, Шварцман втратила рахунок того, скільки разів вона робила це за ці роки.
Крива росту для неї вібріон культури, однак, не показували звичайну плавну лінію, що піднімалася, а радше нерівну звивистість, схожу на доріжку американських гірок. Скільки б разів вона не повторювала процес, бактерії не створювали очікуваного помутніння бульйону.
Мікроскопічна снігова куля
Щоб перевірити, що відбувається, Шварцман помістив краплю культурального розчину на предметне скло мікроскопа та подивився крізь лінзу при 40-кратному збільшенні. Те, що вони з Ебрагімі бачили, не були зграями особин вібріон але досить гарні шаруваті кулі, що складаються із сотень чи тисяч бактерій, що живуть разом.
«Це була не просто згусток бактерій», — сказав Шварцман. «Це сферична річ, і ви можете побачити, як клітини змішуються в середині».
Подальша робота показала, що порожнисті сфери були вібріонрішення складної проблеми їжі на морі. Окрема бактерія може виробляти лише стільки ферменту; розщеплення альгінату відбувається набагато швидше, коли вібріон можуть групуватися разом. Шварцман каже, що це виграшна стратегія — певною мірою. Якщо їх занадто багато вібріонкількість бактерій перевищує доступний альгінат.
Бактерії розв’язали цю проблему, розробивши більш складний життєвий цикл. Бактерії живуть у три різні фази. Спочатку окрема клітина ділиться неодноразово, а дочірні клітини гуртуються у зростаючі згустки. У другій фазі злиплі клітини перегруповуються в порожнисту сферу. Крайні клітини склеюються, утворюючи щось схоже на мікроскопічну снігову кулю. Клітини всередині стають більш рухливими, плаваючи, споживаючи захоплений альгінат. У третій фазі крихкий зовнішній шар розривається, звільняючи добре нагодовані внутрішні клітини, щоб почати цикл заново.
В ефекті, вібріон перетворюються на гетерогенну суміш клітин, причому бактерії використовують різні гени для контролю своєї поведінки на кожній фазі. Оскільки клітини взаємодіють зі своїми сусідами в структурі, виникає «дивовижна кількість складності», — сказала Шварцман, яка в січні відкриває власну лабораторію в Університеті Південної Каліфорнії. «Бактерії постійно отримують інформацію з навколишнього середовища, і іноді вони реагують таким чином, що змінюють середовище».
Ця складність окупається вібріон кількома способами. Змінюючи свій життєвий цикл, щоб включити багатоклітинну стадію, бактерії можуть ефективно перетравлювати альгінат: їх кількість збільшується, а порожниста оболонка допомагає концентрувати ферменти. Тим часом структура спільноти перешкоджає народженню занадто великої кількості клітин. Клітини в оболонці втрачають можливість розмножуватися, але їх ДНК все одно продовжує жити в наступному поколінні, оскільки всі клітини в кулі є клонами.
Наскільки поширена багатоклітинність?
За словами, робота є «гарним папером». Хорді ван Гестел, який вивчає еволюцію розвитку мікробів у Європейській лабораторії молекулярної біології та не брав участі в дослідженні. Ван Гестель каже, що результати підкріплюють ідею про те, що груповий спосіб життя мікробів — це не виняток, а норма.
«Це чудово ілюструє складність життєвого циклу таких простих бактерій», — сказав він.
Анаіт Пенесян, мікробіолог з Університету Маккуорі в Австралії, каже, що робота Шварцмана і Кордеро пропонує корисний виклик упередженню щодо бактерій. «У нашому розумінні закріплено те, що мікроб — це лише одна клітина», — сказала вона, і, як наслідок, дослідники часто не шукають складної поведінки, яка могла б домінувати в житті мікробів. «Це все одно, що дивитися на насіння або спори рослини і намагатися зробити висновок, як виглядає вся рослина».
Новий вібріон відкриття додає до зростаючого списку мікробів, які можуть стати багатоклітинними принаймні на частину свого життя. Минулого року дослідники з Технологічного інституту Джорджії повідомили, що одноклітинні дріжджі в їхній лабораторії еволюціонували величезна багатоклітинна форма всього за два роки. А в жовтні дослідники в Японії оголосили про своє відкриття з бактерій, які розростаються в багатоклітинні структури на стінах печер; коли скелі занурюються підземними потоками, структури викидають спеціалізовані клітини, як насіння, щоб колонізувати інші місця.
Шварцман і ван Гестель вважають, що здатність до багатоклітинності виникла на початку історії життя і є спільною з давніми двоюрідними братами бактерій, археями, які також здаються одноклітинними. Вони вважають, що це лише питання часу, коли дослідники знайдуть інші види з подібними властивостями — і Шварцман уже почав пошуки.
Джеймс Шапіро, мікробіолог на пенсії з Чиказького університету, майже не сумнівається, що вона його знайде.
Починаючи з 1980-х років, Шапіро та інші світила мікробіології, такі як Бонні Басслер в Прінстонському університеті показали, що одноклітинний спосіб життя добре вивчених бактерій часто був артефактом штучних колб, у яких вони вирощувалися. в стаття 1998 в Річний огляд мікробіологіїШапіро стверджував, що бактерії не є одноклітинними одинаками. «Я дійшов висновку, що в основному всі бактерії є багатоклітинними організмами», — сказав він.
За чотири десятиліття своєї кар'єри Шапіро бачив, як його гіпотеза перетворилася з майже єретичної на незаперечну. «Спочатку мене просто збентежили, але тепер це стало загальноприйнятою думкою», — сказав він. «Багатоклітинність є невід’ємною властивістю бактерій».
Примітка редактора: Кордеро є співдиректором Співробітництва Сімонса з принципів мікробних екосистем. Дослідження Шварцмана, Кордеро та їхніх колег було підтримано завдяки цій співпраці Фондом Саймонса, який також спонсорує цей редакційно незалежний журнал.
