Что заставляет колонию бактерий вести себя как многоклеточное существо?

Результаты исследования показали, что секреция полимеров сахаров помогает миксобактериям приспосабливаться к окружающей среде и формировать сложные многоклеточные структуры.

Исследования профессора Салима Тимо Ислама (Salim Timo Islam) и его аспиранта Фареса Саиди (Fares Saïdi) из Национального научно-исследовательского института в Квебеке, Канада (Institut National de la Recherche Scientifique, INRS), показали, что многоклеточная физиология социальной бактерии Myxococcus xanthus — миксобактерии, которая может активно реорганизовывать своё сообщество в соответствии с условиями среды, — возможно, модулируется секрецией двух натуральных полисахаридов в определённых зонах колонии. Результаты исследований, проведённых в сотрудничестве с международной командой, опубликованы в журнале PLOS Biology.

Профессор Ислам четыре года занимается исследованиями в области бактериальной физиологии, уделяя особое внимание взаимодействию клеток бактерий друг с другом и с поверхностями, на которых формируются бактериальные сообщества, в том числе многоклеточные бактериальные плёнки и плодовые тела. Развитие многоклеточности является ключевым эволюционным переходом, позволяющим разделять физиологические функции в популяции клеток, что даёт преимущества для выживания; у одноклеточных это может привести к сложному поведению в процессе развития и формированию структур сообществ более высокого порядка.

Обычно многоклеточность ассоциируется с ядерными организмами: животными, растениями, грибами. Однако определённые шаги к многоклеточности делают и бактерии. Наиболее изученные примеры такого поведения у них — создание биоплёнок, а также плодовых тел, похожих на плодовые тела грибов. Ислам и Саиди изучили данное явление на примере миксобактерии Myxococcus xanthus. Это организм, способный как к хищническому поведению, т.е. прямому поеданию других бактерий, так и к сапротрофному питанию остатками чужого хищничества. Способность к различным типам питания облегчает для этой бактерии возможность радикального изменения поведения и структуры колонии в ответ на сигналы внешней среды. Если вокруг оказывается недостаточно питания, колония Myxococcus xanthus, состоящая из однотипных подвижных клеток, формирует плодовое тело, генерируя три дифференцированные субпопуляции: 1) клетки, образующие устойчивые к высыханию миксоспоры в центре плодового тела, 2) клетки в основании плодового тела, образующие своего рода «ножку», «периферический стержень» и 3) клетки-фуражиры, сохраняющие подвижность на периферии плодового тела. Плодовые тела Myxococcus xanthus называют роями, они способны к скользящему групповому движению и выигрывают у колоний одиночных бактериальных клеток за счёт того, что совместно вырабатывают большие количества пищеварительных экзоферментов, разлагающих органические субстраты и другие бактерии. Рои (плодовые тела) миксобактерий видны невооружённым глазом. Именно благодаря такому многоклеточному образу жизни Myxococcus xanthus обеспечивают выживание колонии.

Понять механизм, заставляющий простейшие одноклеточные организмы объединяться в сложную многоклеточную структуру, — интереснейшая задача для учёных, способная, в случае решения, открыть путь ко множеству прорывных биотехнологий. Для решения этой задачи полезно понять функциональную биохимию миксобактерий.

В процессе жизнедеятельности миксобактерии, как в состоянии рассеянной колонии, так и в плодовых телах, секретируют множество различных веществ, в том числе несколько длинноцепочечных полисахаридов. Некоторые из них уже хорошо изучены и описаны, как, например, O-антиген, входящий в макромолекулу липополисахарида и участвующий в функционале подвижности миксобактерии. Функционал некоторых понятен не до конца. А некоторые и вообще пока толком не исследованы.

Салим Тимо Ислам и Фарес Саиди в своей работе постарались прояснить роль двух секретируемых бактерией Myxococcus xanthus полисахаридов. Один из них, экзополисахарид (ЭПС), уже был отчасти описан: он важен для образования биоплёнок, т.к. играет в них роль основного компонента внеклеточного матрикса. Другой — плохо описанный «полисахарид слизи». Авторы работы назвали его БПС — биосурфактантный полисахарид, так как предположили, что он имеет свойства поверхностно-активного вещества (сурфактанта). Чтобы разобраться, как эти полисахариды работают, они сначала выяснили, какие белки участвуют в их производстве, затем создали линии мутантных бактериальных клеток, с отключенными генами, ответственными за синтез соответствующих белков, а затем стали проверять, какие способности, бактерия, лишённая того или иного полисахарида, утеряла. В частности, удалось узнать, что в процессе питания ни ЭПС, ни БПС не задействованы: колонии, не умеющие секретировать эти вещества, по-прежнему были способны употребить в пищу колонию кишечной палочки (Escherichia coli). ЭПС также не задействован и в скользящей групповой подвижности (колония без него вполне ползла), а вот БПС, как оказалось, — наоборот, задействован. Чтобы убедиться в том, что для скользящей подвижности важны именно биосурфактантные свойства БПС, учёные попробовали заместить его в мутантной колонии внешним поверностно-активным веществом другой природы — и это сработало: скользящая подвижность колонии восстановилась.

Подобрав красящие биомаркеры, связывающиеся с исследуемыми полисахаридами, авторы работы также выяснили, что активное производство ЭПС и БПС в бактериальном сообществе связано с началом активного формирования плодового тела и что затем эти полисахариды производятся внутри роя неравномерно: ЭПС активнее секретируется на периферии колонии, в районах низкой плотности скопления клеток, в то время как БПС более важен в центре колонии, где плотность клеток высока. Учёные предположили, что такое распределение полимеров связано с различной потребностью в них клеток с различным поведением. Возможно также, что конкретный тип поведения субпопуляции клеток непосредственно стимулируется конкретным полисахаридом.

В целом, данная работа — важный шаг в изучении перехода одноклеточных к многоклеточному поведению.

«Поскольку факторы, способствующие развитию бактериальных сообществ, пока плохо изучены, — Говорит профессор Ислам, — Очень интересно обнаружить ещё один».

DOI: 10.1371/journal.pbio.3000728 Источник: XX2ВЕК

Посмотрите, как одноклеточная жизнь превращается в многоклеточную жизнь