Как бактерии договариваются друг с другом

Как бактерии договариваются друг с другом

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.

Newsland.ru

Похожие новости:
Биолампа светит благодаря светящимся бактериям
Студенты из университета штата Висконсин смогли создать новую лампу, которая работает от светящихся бактерий. Биоинженеры заставили бактерии кишечной палочки светиться. Для подкормки светящих бактерий, в лампу поместили различные микроорганизмы. На самом деле получилась закрытая экосистема, где микроорганизмы ..
2013-10-24 1700 0 Разное, интересное
0
Ученые: грозовые облака кишат бактериями
Грозовые облака таят в себе бесчисленные колонии микробов, выяснили ученые из датского Университета Орхуса. На градинах, образующихся в грозовых облаках, живут бактерии, которые обычно обитают на растениях и в почве.До этого ученые уже обнаружили бактериальные "сообщества" в облаках, окружающих ..
2013-01-26 1941 0 Разное, интересное
0
Спящие в кристаллах соли бактерии привлекут для поиска внеземной жизни
Испанские ученые открыли необычное взаимодействие между микробами и солью, которое поможет распознать следы жизни на поверхности Марса и других планет. Если поместить кишечную палочку (Escherichia coli) в каплю соленой воды и высушить, то бактерии вмешаются в кристаллизацию ..
2014-07-28 1510 0 Разное, интересное
0
Арктическая бактерия станет источником для новых антибиотиков
Бактерии, обитающие в Арктике, могут обеспечить фармакологию новыми антибиотиками, что является очень своевременным для фармацевтических компаний. Фармацевтическим компаниям нерентабельно  тратить средства на поиски новых антибиотиков, однако бактерии становятся устойчивыми ко многим из нынешних антибиотиков. «Если никто не будет ..
2015-01-19 1357 0 Разное, интересное
0
Ученые: 4 кг бактерий уничтожат все человечество
Всего одна чайная ложка самой токсичной бактерии на Земле может убить все население США. А 4 килограмма хватит на все человечество.Clostridium Botulinum — спорообразующая палочка, продуцирующая ботулизм — одно из самых токсичных созданий на Земле. Палочка ботулизма вызывает ..
2012-07-26 2675 0 Разное, интересное
1
Ученые открыли благотворные вирусы
Ученые микробиологи  из университета San Diego State University установили, что слизистые оболочки животных могут привлекать симбиотические бактериофаги. Как выяснили ученые, изучив свойства некоторых вирусов, они способны убивать опасные бактерии и защищать организм от патогенных бактерий.Бактериофаги также способны ..
2013-05-23 1916 0 Разное, интересное
0
В кишечнике нашли манипулирующие мозгом человека бактерии
В кишечнике человека впервые обнаружены бактерии, которым для выживания необходимы выделяемые мозгом химические вещества. Об этом сообщает New Scientist.Филип Стрэндвиц (Philip Strandwitz) и его коллеги из Северо-восточного университета (Бостон) выяснили, что недавно открытый вид кишечных бактерий KLE1738 растет и размножается, ..
2016-07-04 1774 0 Разное, интересное
0
Не только люди могут заключать военные альянсы
Исходя из результатов недавних исследований, стало известно, что бактерии вступают в «альянсы» для успешной борьбы с другими видами бацилл, которые проживают в водах Мирового океана. Уже давно известно, что различные бактерии могут тесно взаимодействовать между собой и в такой способ ..
2012-11-3 1481 1 Разное, интересное
0
Антарктические бактерии выживут на Марсе
Halorubrum lacusprofundi — холодолюбивая бактерия, найденная в сверхсолёном Глубоком озере (Антарктида). Несмотря на свою холодоустойчивость, размножается она при 0–42 °C, а по современным представлениям такие условия (включая повышенную солёность вод) вполне справедливы для подпочвенного Марса. Необычная форма β-галактозидазы, ..
2013-03-12 1306 0 Разное, интересное
0
Обнаружено скрытое распространение неуязвимых бактерий
Устойчивые к антибиотикам и смертельно опасные бактерии оказались более распространенными, чем считалось ранее. К такому выводу пришли ученые из Гарвардской школы общественного здоровья Т.Х. Чана в Бостоне и Института Брода при Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте. Статья с результатами ..
2017-01-18 4838 0 Разное, интересное
0
Китайцы прочитали метагеном смога
Исследователи из китайского Университета Цинхуа прочитали метагеном пекинского смога и обнаружили в нем фрагменты ДНК множества условно-патогенных микроорганизмов. Работа опубликована в журнале Enviromental Science&Technology;, кратко о ней пишет Nature News. Образцы были получены с помощью пропускания воздуха через фильтры с последующим ..
2014-02-04 1367 1 Разное, интересное
0
Причину ухудшения памяти нашли в кишечнике
Согласно результатам исследования биологов из Центра молекулярной медицины, длительный курс антибиотиков, который уничтожает кишечные бактерии, замедляет рождение новых клеток мозга и приводит к нарушению памяти. Это свидетельствует о взаимосвязи между микрофлорой пищеварительной системы и головного мозга. ..
2016-05-23 1743 0 Разное, интересное
1
Гигантские вирусы назвали четвертой ветвью жизни
Ученые из Марселя обнаружили у гигантских вирусов геномные кассеты CRISPR, связанные с защитной функцией и наблюдаемые ранее у прокариот. Это, по мнению специалистов, позволяет отнести вирусы с CRISPR к промежуточным формам жизни (между бактериями и вирусами). Исследование опубликовано в журнале ..
2016-03-01 1407 0 Разное, интересное
0
Смертоносные вирусы назвали причиной появления человека
Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Сан-Франциско нашли доказательства того, что сложные живые организмы, включая человека, появились из-за вирусов. Ученые выяснили, что смертоносные для бактерий бактериофаги, попав внутрь микробов, создают структуры, аналогичные клеточному ядру в эукариотах. ..
2017-01-17 2648 0 Разное, интересное
0
Ученые впервые создали стабильный полусинтетический организм
Международной группе ученых удалось создать стабильный полусинтетический одноклеточный организм, генетический код которого содержит дополнительную пару оснований, не встречающихся в природе. Результаты работы опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Генетическая информация всех живых организмов закодирована в ДНК, состоящей ..
2017-01-25 7950 0 Разное, интересное
0