Халтурників не люблять навіть серед одноклітинних
Своїм блакитним світінням кальмар зобов`язаний бактеріям, живучим в фотофоров (світяться органах) на його шкірі. Через те що члени колонії мають здатність до колективного поводження, інтенсивність цього світіння не залежить від кількості бактерій. Фото: William Ormerod / courtesy Margaret McFall-Ngai / UW-Madison University Communications
Здавалося б, що за той час, що люди вивчають бактерії, ці мікроорганізми відкрили вченим всі свої секрети - адже не так багато можна приховати під об`єктивом мікроскопа. До останнього часу бактерії сприймалися як прості, примітивні створення, провідні одноманітну, нудну життя. На думку французького генетика Франсуа Жакоба (), Єдина мета існування бактерії - це спродукувати собі подібну. Дослідження останніх років, однак, доводять, що життя бактерій набагато більше насичена. Вони спілкуються один з одним, «займаються сексом», і навіть об`єднуються в групи і гуртуються проти нас, людей.
почуття кворуму
Перше відкриття в області соціального життя бактерій було зроблено на початку 60-х років минулого століття і стосувалося колонії світних . Ці бактерії поселяються на тілі кальмарів, які живуть на мілинах навколо Гавайських островів. Протягом спекотного дня кальмар відпочиває, зарившись в пісок морського дна, а вночі йде на полювання. У місячному світлі темне тіло кальмара стає помітним для хижаків, проте бактерії, що покривають шкіру кальмара, продукують блакитнувате світіння, схоже на місячне світло. Це свого роду маскування.
Мікробіолог Вудланд Хастінгс () Помітив дивну річ. Колонія Vibrio fischeri в стінах лабораторії подвоювала свою чисельність кожні двадцять хвилин, проте кількість світиться пігменту - - Залишалося на заданому рівні протягом багатьох годин. Таким чином, інтенсивність свічення не залежала від чисельності. Тільки коли колонія бактерій занадто розросталася, кількість люциферази починало слабо рости.
Як же бактерії знали, скільки пігменту виробляти? Вченому стало очевидно, що бактерії в змозі оцінити кількість членів колонії і діяти виходячи з цього. Це вміння бактерій діяти колективно було названо «почуттям кворуму» (). Доктор Хастінгс недооцінив своє відкриття, вважаючи, що «почуття кворуму» властиве тільки морським бактеріям, можливо тільки Vibrio fischeri. Студент Хастингса Кеннет Нілсон () Кілька разів намагався опублікувати роботу у наукових виданнях з мікробіології, де писав про комунікації між бактеріями Vibrio fischeri. У публікаціях йому відмовляли, оскільки вважалося, що бактерії не соціальні.
Однак сьогодні вивчення світу бактерій не обходиться без досліджень в області міжклітинної комунікації, а поняття «почуття кворуму» стало одним з основоположних понять сучасної мікробіології.
На знімку мікрофотографії скупчення бактерій синьогнійної палички (Pseudomonas aeruginosa) при ботріомікозе. Фото: CDC / Dr. Lucille K. George
Так, для бактерії Pseudomonas aeruginosa (синьогнійна паличка), що викликає інфекційні захворювання людини, була показана здатність об`єднуватися в співтовариства - біоплівки. В організмі людини бактерії піддаються атакам клітин імунної системи - лейкоцитів. Виявивши наближення лейкоцита, бактерія посилає попереджувальний сигнал родичам, і вони разом починають , які прикріплюються до поверхні біоплівки і руйнують лейкоцити. В результаті колонія виявляється захищеною.
Цей же феномен лежить в основі стійкості бактерій до антибіотиків, а також в основі патогенезу смертельних бактеріальних захворювань. Так, стафілокок (Staphylococcus aureus) атакує організм не відразу, адже виробництво токсину всього декількома клітинами викличе сильну імунну відповідь. Очевидно, що має сенс почекати, поки чисельність бактерій значно зросте, і тоді почати атаку. У такій ситуації імунітет людини виявляється нездатним придушити бактеріальний натиск, і розвиваються небезпечні інфекційні захворювання шкіри, м`яких тканин, кісток і суглобів.
Відкриття бактеріальної комунікації дозволило переглянути не тільки основи мікробіології, а й погляди на еволюцію життя. Якщо враховувати, що бактерії були першими істотами, що заселили Землю, стає зрозуміло, що соціальна комунікація зовсім не виникає в ході еволюції живих істот на пізніх стадіях, вона послужила фундаментом успішного розвитку життя на нашій планеті.
Як вони це роблять?
Міжклітинна сигналізація у бактерій сьогодні служить предметом пильних досліджень, адже якщо навчитися розуміти «мову» бактерій, то можливо приборкання багатьох захворювань. Для обміну новими знаннями регулярно проходить спеціалізована конференція з міжклітинної сигналізації бактерій.
Сигнальними молекулами у бактерій служать хімічні речовини. По суті, така сигналізація становить прототип феромонів у людини.
Професори молекулярної біології Бонні Басслер () Рахують серед світових лідерів в області бактеріальної комунікації. Вона вивчає комунікацію збудника холери (Vibrio cholerae). У дикій природі холерний вібріон зустрічається у водоймах, і шлунково-кишковий тракт людини надає альтернативне комфортне середовище проживання.
Кожна бактеріальна клітина продукує сигнальні молекули - аутоіндукторів (CAI-1 і AI-2). Рецептори на поверхні бактеріальних клітин здатні сприймати присутність аутоіндукторів. При малої щільності популяції аутоіндукторів недостатньо, і, як результат, активність особливого гена hapR низька. Такий стан дозволяє холері активно нарощувати популяцію і формувати біофільми (біоплівки). При високій чисельності клітин концентрація аутоіндукторів збільшується, що підсилює експресію hapR гена і призводить до формування ферменту - гемаглютинін протеази. Цей фермент допомагає окремим клітинам вийти з біоплівки: вони можуть легко покинути організм, і людина стає рознощиком зарази.
Мікрофлора порожнини рота в нормі представлена різними видами бактерій. Карієс, пародонтоз та інші хвороби з`являються тоді, коли порушується баланс мікроорганізмів. Фото (Creative Commons license): Sherman Tan
Цікаво, що навіть всередині популяції бактеріальних клітин існують окремі індивідууми, які «люблять халяву». Такі клітини входять до складу співтовариств, тому користуються всіма привілеями, проте самі не вносять свою лепту в спільну справу. Мікробіолог Мартін Шустер () З Університету штату Орегон () Продемонстрував, що присутність в популяції «халявщиків» може виявитися справжньою трагедією. Для успішного розвитку і комунікації бактерій Pseudomonas aeruginosa необхідна живильне середовище, насичена вуглецем. Після розвитку сотні поколінь бактерій серед них виділяється група «любителів халяви», які не реагують на звичні зовнішні сигнали. У серії окремих експериментів зі збільшенням чисельності «халтурників» спостерігалося уповільнення зростання популяції бактерій. По всій видимості, в дикій природі існують особливі механізми, які дозволяють контролювати розмноження «халтурників» і, таким чином, захищати популяцію в цілому.
Комунікація у бактерій багатогранна. Вона настільки ж складна, як і взаємовідносини між державами. Один з найцікавіших і унікальних прикладів - це симбіоз корисних бактерій в роті людини з патогенами, які викликають неприємний запах і карієс. Мікрофлора порожнини рота людини налічує до п`ятисот видів бактерій. Розвиток цілих поколінь цих бактерій визначається частотою щоденних гігієнічних процедур порожнини рота. При цьому кожен член цього співтовариство повинен вміти відрізняти «своїх» від «чужих», щоб зрозуміти, які біологічні сигнали виходять від подібних бактерій, а які не мають значення, і їх слід ігнорувати. Як спільнота, кожен вид бактерій повинен визначати свою чисельність і реагувати на мінливі зовнішні фактори. Якщо встановлений баланс порушується, це призводить до розвитку хвороб порожнини рота.
Інтригуючі результати продемонструвала група вчених з Бірмінгемського університету (). Ян Крефт (Jan Kreft) і його колеги за допомогою математичної моделі показали, що концентрація речовин-аутоіндукторів неоднакова в популяції бактерій. Існують бактеріальні кластери, які оточені більш високою концентрацією аутоіндукторів, ніж сусідні клітини. Мікробіолог Стів Діглі (Steve Diggle) успішно розвинув цю ідею, показавши, що бактерії, розташовані по сусідству, найчастіше мають спільного прабатька, тому є родичами, членами однієї сім`ї. Виявилося, що родинні клітини мають схожу порогом чутливості до аутоіндукторів, який відрізняється від інших сімей. Таким чином, сім`я бактерій може буквально «пропускати повз вуха» те, про що говорять сусіди.
Секс корисний для здоров`я
До останнього часу секс вважався привілеєм високоорганізованих істот, у той час як бактерії, як передбачалося, рамножалісь тільки простим поділом на дві частини, на дві нові клітини. Нобелівський лауреат Едвард Тейтем () З Єльського університету (), Показав, що . Правда, трапляється це лише по потребі. Так, лінія бактерій кишкової палички (Escherichia coli), що мешкає в нормі в кишечнику людини, була схильна до впливу рентгенівських променів. Таке випромінювання руйнує ДНК і викликає мутації з важкими наслідками. В результаті вдалося виділити дві групи бактерій.
Одна з них не могла синтезувати необхідні для життєдіяльності вітаміни, у другій труднощі викликав синтез життєво важливих амінокислот. При змішуванні клітин з двох груп вдалося отримати абсолютно нормальні індивідууми. Виходить, що «дефектні» бактерії злилися, щоб ліквідувати мутації і запозичити здоровий генетичний матеріал друг у друга. Це перенесення генів між рівноправними особинами отримав назву горизонтального переносу генів.
Для того щоб з двох дефектних груп бактерій кишкової палички (E. coli), вийшли здорові бактерії, їм достатньо зайнятися сексом, точніше здійснити горизонтальний перенос генів. Фото: CDC / National Escherichia, Shigella, Vibrio Reference Unit at CDC
Горизонтальний перенос генів дозволяє бактеріям отримувати від інших груп бактерій і, можливо, багатоклітинних організуйте еволюційні переваги. Дійсно, навіщо винаходити велосипед, якщо його можна просто запозичити? Систематичні дослідження в батского університеті () Показали, що , відповідальних за обмін речовин у бактерії Escherichia coli, були додані за допомогою горизонтального переносу за останні сто мільйонів років.
Судячи з досліджень, ці гени були запозичені у досить близьких видів і допомогли Escherichia coli краще адаптуватися до соціального життя, ефективніше спілкуватися всередині популяції і виживати перед лицем небезпеки. Так, завдяки горизонтальному переносу генів бактерії можуть придбати стійкість до антибіотиків.
Вивчення соціального життя бактерій дозволяє вченим зрозуміти, як саме ці мікроорганізми протистоять негативному впливу навколишнього середовища і яким чином примудряються «переграти» сильнодіючі лікарські препарати. Цілком очевидно: щоб зробити їх слабкими і беззахисними, людині необхідно навчитися руйнувати зв`язку в цьому союзі шкідників.
