Giới thiệu
Nhắm mắt lại và tưởng tượng vi khuẩn. Có lẽ bạn đang hình dung ruột của chúng tôi Escherichia coli, hoặc những quả cầu vàng óng ánh của tụ cầu, hoặc những vòng xoắn của xoắn khuẩn gây bệnh Lyme. Bất kể loài và hình dạng của nó, rất có thể tâm trí của bạn đã gợi lên một tế bào đơn lẻ, hoặc có thể là một số tế bào sống tự do.
Vấn đề với hình ảnh này, nhà vi sinh vật học cho biết Julia Schwartzman, đó là nó không phản ánh hầu hết các vi khuẩn có khả năng sống như thế nào. Thông thường, vi khuẩn sử dụng các phân tử dính để cố định chúng vào một bề mặt, phát triển trong tập thể lớn, ổn định được gọi là màng sinh học. Các mảng bám trên răng của bạn là một màng sinh học; nhiễm trùng trên ống thông cũng vậy, màu xanh nhầy của váng ao và cặn bẩn làm tắc nghẽn cống thoát nước bồn tắm của bạn.
Nhưng công việc gần đây của Schwartzman, mà cô ấy đã tiến hành với tư cách là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Otto Cordero tại Viện Công nghệ Massachusetts, cho thấy ngay cả vi khuẩn trôi nổi trong đại dương, vốn thiếu điểm neo đậu để hình thành các tập đoàn lớn, cũng tồn tại ở dạng đa bào.
“Chúng tôi đã thấy những cấu trúc này thật đáng kinh ngạc,” cô nói.
Như Schwartzman, Cordero và các đồng nghiệp của họ đã thể hiện trong bài báo gần đây Hiện tại Sinh học, những dạng đa bào này nảy sinh do vi khuẩn phát triển một vòng đời phức tạp hơn nhiều so với những gì thường thấy ở các sinh vật đơn bào.
Công ty cho bữa tối
Schwartzman đến với những khám phá này về tính đa bào ở vi khuẩn biển trong khi cố gắng tìm hiểu về một thứ cơ bản hơn: cách chúng ăn.
Trong đại dương mở, thường nguồn năng lượng duy nhất cho vi sinh vật biển là một loại carbohydrate sền sệt gọi là alginate. Không giống như glucose, fructose và các loại đường đơn khác có thể dễ dàng đi qua màng tế bào, alginate được tạo thành từ các sợi dài, cuộn lại thường lớn hơn vi khuẩn ăn trên chúng. Schwartzman muốn biết thêm về cách vi khuẩn ăn uống hiệu quả, vì các enzym tiêu hóa mà chúng tiết ra để phân hủy alginate có thể dễ dàng bị pha loãng và cuốn trôi trong vùng biển rộng.
Đó là lý do tại sao cô ấy và Ali Ebrahimi, một postdoc khác trong phòng thí nghiệm của Cordero, bắt đầu đo sự phát triển của vi khuẩn biển phát quang Vibrio huy hoàng trong các bình nước dùng ấm chứa đầy alginat. Trong nhiều thí nghiệm vi sinh vật học, các nhà khoa học cung cấp cho vi sinh một lượng lớn các chất dinh dưỡng để khuyến khích các tế bào phân chia càng nhanh càng tốt, nhưng bình của Schwartzman và Ebrahimi đã buộc Vibrio vi khuẩn tồn tại nhờ một lượng tương đối nhỏ polyme alginate quá khổ, giống như chúng sống ở biển.
Tuy nhiên, khi Schwartzman bắt đầu thu thập dữ liệu, cô ấy nghĩ rằng mình đã mắc một sai lầm mới. Khi vi khuẩn sinh sôi, chúng biến đổi môi trường nuôi cấy trong suốt, có màu hổ phách thành một món hầm âm u. Bằng cách đo độ âm u, Schwartzman có thể ngoại suy số lượng vi khuẩn trong bình và xây dựng đường cong tăng trưởng để ước tính tốc độ phân chia của các tế bào. Các nhà vi khuẩn học đã ước tính tốc độ tăng trưởng theo cách này trong nhiều thập kỷ. Là một postdoc, Schwartzman đã không đếm được bao nhiêu lần cô ấy đã làm điều này trong những năm qua.
Đường cong tăng trưởng cho cô ấy Vibrio Tuy nhiên, các nền văn hóa không cho thấy đường lên trơn tru thông thường mà là một đường gập ghềnh gập ghềnh giống như đường ray của tàu lượn siêu tốc. Cho dù cô ấy lặp lại quy trình bao nhiêu lần, vi khuẩn vẫn không tạo ra độ đục như mong đợi trong nước dùng.
Quả cầu tuyết siêu nhỏ
Để kiểm tra xem chuyện gì đang xảy ra, Schwartzman đã nhỏ một giọt dung dịch nuôi cấy lên một lam kính hiển vi và nhìn qua thấu kính ở độ phóng đại 40 lần. Những gì cô ấy và Ebrahimi nhìn thấy không phải là một bầy cá thể Vibrio nhưng đẹp hơn là những quả cầu nhiều lớp, bao gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn vi khuẩn sống cùng nhau.
Schwartzman nói: “Đó không chỉ là một đốm vi khuẩn. "Đó là một thứ hình cầu và bạn có thể thấy các ô trộn lẫn ở giữa."
Nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng các quả cầu rỗng Vibriogiải pháp cho thách thức phức tạp của việc ăn uống trên biển. Một con vi khuẩn chỉ có thể tạo ra rất nhiều enzym; phá vỡ alginate diễn ra nhanh hơn nhiều khi Vibrio có thể tụ lại với nhau. Schwartzman nói rằng đó là một chiến lược chiến thắng. Nếu có quá nhiều Vibrio, số lượng vi khuẩn vượt xa số alginate có sẵn.
Vi khuẩn đã giải quyết vấn đề hóc búa bằng cách phát triển một vòng đời phức tạp hơn. Vi khuẩn sống trong ba giai đoạn khác nhau. Lúc đầu, một tế bào riêng lẻ phân chia nhiều lần và các tế bào con tụ họp lại thành từng đám lớn dần. Trong giai đoạn thứ hai, các tế bào kết tụ lại tự sắp xếp lại thành một khối cầu rỗng. Các tế bào ngoài cùng tự kết dính với nhau, tạo thành một thứ giống như một quả cầu tuyết cực nhỏ. Các tế bào bên trong trở nên di động hơn, bơi xung quanh khi chúng tiêu thụ alginate bị mắc kẹt. Trong giai đoạn thứ ba, lớp ngoài giòn bị vỡ ra, giải phóng các tế bào bên trong được nuôi dưỡng tốt để bắt đầu lại chu kỳ.
Có hiệu lực, Vibrio trở thành một hỗn hợp tế bào không đồng nhất, với các vi khuẩn sử dụng các gen khác nhau để kiểm soát hành vi của chúng trong mỗi giai đoạn. Khi các tế bào tương tác với hàng xóm của chúng trong cấu trúc, điều nổi lên là “một lượng phức tạp đáng ngạc nhiên”, Schwartzman, người đang khai trương phòng thí nghiệm của riêng mình tại Đại học Nam California vào tháng Giêng, cho biết. "Vi khuẩn liên tục lấy thông tin từ môi trường của chúng, và đôi khi chúng phản ứng theo những cách làm thay đổi môi trường."
Sự phức tạp này được đền đáp cho Vibrio theo một số cách. Bằng cách thay đổi vòng đời của chúng để bao gồm giai đoạn đa bào, vi khuẩn có thể tiêu hóa alginate một cách hiệu quả: Số lượng của chúng tăng lên và lớp vỏ rỗng giúp tập trung các enzym. Trong khi đó, cấu trúc của quần xã lại ngăn cản quá nhiều tế bào được sinh ra. Các tế bào trong vỏ mất cơ hội sinh sản, nhưng dù sao thì DNA của chúng vẫn tồn tại ở thế hệ tiếp theo, vì tất cả các tế bào trong quả cầu đều là dòng vô tính.
Đa tế bào phổ biến như thế nào?
Tác phẩm là "một tờ giấy đẹp", theo Jordi van Gestel, người nghiên cứu quá trình phát triển của vi sinh vật tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử Châu Âu và không tham gia vào nghiên cứu. Van Gestel nói rằng kết quả củng cố ý tưởng rằng, không phải là ngoại lệ, sự sống của nhóm vi sinh vật là tiêu chuẩn.
Ông nói: “Nó minh họa một cách tuyệt vời sự phức tạp của vòng đời ở những vi khuẩn đơn giản như vậy.
Anahit Penesyan, một nhà vi sinh vật học tại Đại học Macquarie ở Úc, nói rằng công trình của Schwartzman và Cordero đưa ra một thách thức hữu ích đối với những định kiến về vi khuẩn. Bà nói: “Chúng tôi hiểu rằng vi khuẩn chỉ là một tế bào đơn lẻ, và do đó, các nhà nghiên cứu thường không tìm kiếm những hành vi phức tạp có thể chi phối sự sống của vi sinh vật. “Nó giống như nhìn vào một hạt hoặc bào tử thực vật và cố gắng suy ra toàn bộ cây đó như thế nào”.
Mới Vibrio phát hiện này bổ sung vào danh sách ngày càng nhiều các vi khuẩn có thể trở thành đa bào trong ít nhất một phần cuộc đời của chúng. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia đã báo cáo rằng nấm men đơn bào trong phòng thí nghiệm của họ đã tiến hóa dạng đa bào khổng lồ chỉ trong hai năm. Và vào tháng XNUMX, các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản công bố khám phá của họ vi khuẩn phát triển thành các cấu trúc đa bào trên thành của các hang động; khi các tảng đá được ngâm bởi các dòng suối ngầm, các cấu trúc sẽ đẩy ra các tế bào chuyên biệt như hạt giống để cư trú ở các vị trí khác.
Schwartzman và van Gestel đều tin rằng khả năng đa bào đã phát triển sớm trong lịch sử sự sống và được chia sẻ với những người anh em họ cổ của vi khuẩn, vi khuẩn cổ, cũng có vẻ như là đơn bào. Họ nghĩ chỉ là vấn đề thời gian cho đến khi các nhà nghiên cứu tìm thấy những loài khác có đặc tính tương tự - và Schwartzman đã bắt đầu tìm kiếm.
James Shapiro, một nhà vi sinh vật học đã nghỉ hưu từ Đại học Chicago, ít nghi ngờ rằng cô ấy sẽ tìm thấy nó.
Bắt đầu từ những năm 1980, Shapiro và các thiết bị phát sáng vi sinh khác như Bonnie Bassler tại Đại học Princeton đã chỉ ra rằng lối sống đơn bào của các vi khuẩn được nghiên cứu kỹ lưỡng thường là một tạo tác của môi trường bình nhân tạo mà chúng được nuôi cấy. Trong bài viết về 1998 trong Đánh giá hàng năm về vi sinh, Shapiro lập luận rằng vi khuẩn không phải là những kẻ cô độc đơn bào. Ông nói: “Tôi đã đi đến kết luận rằng về cơ bản tất cả vi khuẩn đều là sinh vật đa bào.
Trong sự nghiệp kéo dài bốn thập kỷ của mình, Shapiro đã chứng kiến giả thuyết của mình biến đổi từ gần như dị giáo thành không thể kiểm soát được. “Lúc đầu, tôi chỉ nhận được sự chú ý, nhưng bây giờ nó đã trở thành sự khôn ngoan thông thường,” anh nói. “Đa tế bào là đặc tính cố hữu của vi khuẩn.”
Ghi chú của người biên tập: Cordero là đồng giám đốc của Tổ chức Hợp tác Simons về các Nguyên tắc của Hệ sinh thái Vi sinh vật. Nghiên cứu của Schwartzman, Cordero và các đồng nghiệp của họ đã được hỗ trợ thông qua sự hợp tác đó bởi Simons Foundation, tổ chức cũng tài trợ cho tạp chí độc lập biên tập này.
