Для оптимального роста колонии внешние и внутренние клетки бактериальных биоплёнок сумели распределить между собой что-то вроде социальных функций.
Умение договариваться и распределять социальные роли внутри сообщества считается способностью высших животных и человека. Тем удивительней здесь выглядят эксперименты исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего – в своей статье в Nature они пишут, что им удалось обнаружить распределение социальных ролей в поведении бактерий Bacillus subtilis. Гюроль Сюэль (Gürol S?el) и его коллеги изучали биоплёнки B. subtilis – биоплёнки состоят из бактериальных клеток и выделяемых ими веществ, образующих внеклеточный матрикс. Такие колонии весьма прочны – они помогают микробам удерживаться на поверхности субстрата и защищают бактериальное сообщество от неблагоприятных внешних воздействий.
Однако, достигнув некоторой численности, у колонии-биоплёнки начинает меняться скорость роста: она увеличивается в размере, но довольно странным образом, то ускоряя свой рост, то замедляя. Сравнение таких колебаний с математической моделью показало, что это есть результат внутреннего конфликта в бактериальном «поселении». Действительно, бактериям в плёнке есть из-за чего конфликтовать: те из них, которые живут, в центре колонии, больше защищены от вредной химии и каких-нибудь антибиотиков – в том числе, благодаря своим товарищам, обитающим на периферии. С другой стороны, периферийные клетки пользуются ещё нетронутыми питательными ресурсами среды, и чем больше становится колония, тем больше вероятность, что внутренние клетки окажутся на голодном пайке.
Но биоплёнке удаётся разрешить сложную ситуацию благодаря следующей уловке: внешние клетки не могут жить без некоего вещества, синтезируемого внутренними клетками. Периодически «внутренние жители» биоплёнки тормозят его синтез, чтобы «пограничники» не слишком разрастались и не съедали всё вокруг. Но слишком ограничивать в росте внешних товарищей внутренние клетки не могут, иначе они откроются опасным внешним воздействиям.
Очевидно, что и внутренние, и внешние члены колонии нуждаются друг в друге, несмотря на взаимопротиворечащие интересы друг друга. Это обычная ситуация что у бактерий, что у людей, и выход тут один – научиться договариваться. Давно известно, что у некоторых бактерий есть так называемое чувство кворума – способность координировать своё поведение с помощью молекулярных сигналов. Например, патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa могут размножаться в пределах хозяина без ущерба, пока они не достигают определённой концентрации. Когда их численность становится достаточной, чтобы преодолеть иммунную систему хозяина, P. aeruginosa становятся агрессивными, вызывая болезнь. Но для того, чтобы принять решение атаковать, нужно посчитать самих себя, и вот тут включается чувство кворума, когда по концентрации некоего сигнала бактерии выносят решение, пора переходить к активным действиям или нет.
Однако в случае B. subtilis уже внутри самой биоплёнки происходит что-то вроде разделения труда – можно сказать, что чувство кворума осложняется подобием социальной роли. Конечно, это не та социальная жизнь, которую можно видеть у животных. Просто бактерии нашли способ регулировать собственный рост так, чтобы оптимальным образом расходовать питательные вещества и одновременно быть готовыми к внешней угрозе, и способ этот можно назвать, по крайней мере, отчасти, вполне социальным. При этом бактерии генетически не отличаются друг от друга, то есть будет ли клетка вести себя как внешняя или внутренняя, зависит от того, где она окажется.
Авторы работы показали, что колебательный рост помогает колонии в целом выдержать химическую атаку извне, то есть умение договариваться с коллегой-конкурентом несёт эволюционные преимущества даже для бактерий. Также удалось расшифровать химические сигналы, которыми обмениваются центр и периферия колонии. Многие патогенные бактерии формируют биоплёнки, из-за которых с ними бывает очень трудно бороться, так что если мы научимся вмешиваться в химическое общение внутри колонии, можно будет делать бактерий в ней более эгоистичными – настолько, что биоплёнка разрушала бы сама себя.
Однако, достигнув некоторой численности, у колонии-биоплёнки начинает меняться скорость роста: она увеличивается в размере, но довольно странным образом, то ускоряя свой рост, то замедляя. Сравнение таких колебаний с математической моделью показало, что это есть результат внутреннего конфликта в бактериальном «поселении». Действительно, бактериям в плёнке есть из-за чего конфликтовать: те из них, которые живут, в центре колонии, больше защищены от вредной химии и каких-нибудь антибиотиков – в том числе, благодаря своим товарищам, обитающим на периферии. С другой стороны, периферийные клетки пользуются ещё нетронутыми питательными ресурсами среды, и чем больше становится колония, тем больше вероятность, что внутренние клетки окажутся на голодном пайке.
Но биоплёнке удаётся разрешить сложную ситуацию благодаря следующей уловке: внешние клетки не могут жить без некоего вещества, синтезируемого внутренними клетками. Периодически «внутренние жители» биоплёнки тормозят его синтез, чтобы «пограничники» не слишком разрастались и не съедали всё вокруг. Но слишком ограничивать в росте внешних товарищей внутренние клетки не могут, иначе они откроются опасным внешним воздействиям.
Очевидно, что и внутренние, и внешние члены колонии нуждаются друг в друге, несмотря на взаимопротиворечащие интересы друг друга. Это обычная ситуация что у бактерий, что у людей, и выход тут один – научиться договариваться. Давно известно, что у некоторых бактерий есть так называемое чувство кворума – способность координировать своё поведение с помощью молекулярных сигналов. Например, патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa могут размножаться в пределах хозяина без ущерба, пока они не достигают определённой концентрации. Когда их численность становится достаточной, чтобы преодолеть иммунную систему хозяина, P. aeruginosa становятся агрессивными, вызывая болезнь. Но для того, чтобы принять решение атаковать, нужно посчитать самих себя, и вот тут включается чувство кворума, когда по концентрации некоего сигнала бактерии выносят решение, пора переходить к активным действиям или нет.
Однако в случае B. subtilis уже внутри самой биоплёнки происходит что-то вроде разделения труда – можно сказать, что чувство кворума осложняется подобием социальной роли. Конечно, это не та социальная жизнь, которую можно видеть у животных. Просто бактерии нашли способ регулировать собственный рост так, чтобы оптимальным образом расходовать питательные вещества и одновременно быть готовыми к внешней угрозе, и способ этот можно назвать, по крайней мере, отчасти, вполне социальным. При этом бактерии генетически не отличаются друг от друга, то есть будет ли клетка вести себя как внешняя или внутренняя, зависит от того, где она окажется.
Авторы работы показали, что колебательный рост помогает колонии в целом выдержать химическую атаку извне, то есть умение договариваться с коллегой-конкурентом несёт эволюционные преимущества даже для бактерий. Также удалось расшифровать химические сигналы, которыми обмениваются центр и периферия колонии. Многие патогенные бактерии формируют биоплёнки, из-за которых с ними бывает очень трудно бороться, так что если мы научимся вмешиваться в химическое общение внутри колонии, можно будет делать бактерий в ней более эгоистичными – настолько, что биоплёнка разрушала бы сама себя.
Кирилл Стасевич
Источник: nkj.ru