Хотя они считаются простейшими из всех форм жизни, даже микроорганизмы чувствуют окружающую среду и способны активно перемещаться в ней. Это позволяет им идентифицировать как пищу, так и вредные вещества и двигаться к ним или от них, руководствуясь градиентом концентрации вещества в окружающей их среде. Таким образом, путешествие многих микробов можно рассматривать как последовательность решений, основанных на химических градиентах.
Способность клеток нацеливаться на определенные вещества или избегать их называется хемотаксисом. До сих пор ученые обычно считали хемотаксические свойства бактерий общей чертой вида или популяции - как будто все клетки ведут себя более или менее одинаково. В этом случае средних значений достаточно для описания их поведения в движении. Теперь исследователи из ETH Zurich наблюдали хемотаксис бактерий в поведенческом эксперименте. «Если вы посмотрите с помощью соответствующей технологии, вы обнаружите поразительные поведенческие различия даже в пределах популяции генетически идентичных клеток», - сообщают Мехди Салек и Франческо Каррара, ведущие авторы исследования, недавно опубликованного в Nature Communications.
Микробы в Т-образном лабиринте
Вместе со своими коллегами из исследовательской группы под руководством профессора Романа Стокера из Института инженерной защиты окружающей среды они разработали специальную микрожидкостную систему, которая позволяет им наблюдать за движением тысяч отдельных бактерий в жидкости при чрезвычайно малых Весы. Система состоит из серии узких каналов, которые выходят на тонкую стеклянную пластину, образуя своего рода микроскопический лабиринт, по которому плавают бактерии.
Такие лабиринты часто используются в экспериментальных исследованиях поведенческих предпочтений других организмов, таких как насекомые или черви (а также корни растений). С помощью своей микрожидкостной системы исследователи ETH впервые смогли применить этот традиционный инструмент экологов в микроскопическом масштабе. Их лабиринт напоминает генеалогическое древо с начальным каналом, который снова и снова разветвляется вниз, где концентрация химического аттрактанта максимальна.
Решения на развилке дорог
Все бактерии начинаются в одном и том же месте - и заметно делятся внутри системы каналов, поскольку на каждой развилке они вынуждены решать, плыть ли вверх или вниз по градиенту аттрактанта. Бактерии обязаны своими хемотаксическими способностями специализированным рецепторам, которые позволяют им идентифицировать аттрактант. Кроме того, у них около полудюжины жгутиков, которые могут вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки. «Исходя из этого, бактерия меняет свое направление или продолжает плыть в одном направлении», - объясняют Салек и Каррара.
Даже в группе генетически идентичных клеток, то есть клонов, исследователи ETH обнаружили индивидуумов, способных хорошо следовать за аттрактантом (путем перехода к более высокой концентрации всякий раз, когда они доходили до развилки), и тех, кто были менее способны преодолевать лабиринт. Ученые связывают эти поведенческие различия с различиями в генетической активности идентичных генов в сестринских клетках. Это означает, что клетки имеют разное количество соответствующих белков. «Биохимический шум присутствует в каждой клетке. Будучи фундаментальным случайным компонентом, он вызывает разнообразие внешнего вида и поведения», - говорят исследователи.
Успешная популяция индивидуалистов
Разнообразие или гетерогенность хемотаксиса может дать бактериям эволюционное преимущество, поскольку, хотя те, кто обладает навыками хемотаксиса, могут быстро находить и использовать локально стабильные источники пищи, их сестринские клетки, менее затронутые аттрактантом, с большей вероятностью отважатся на это. на новую территорию, где они могут столкнуться с дополнительными источниками пищи в постоянно меняющейся среде.
Негенетическое разнообразие давно известно в биомедицинских науках о жизни; например, считается, что оно играет роль в устойчивости к антибиотикам. Теперь ученые-экологи показали, что это разнообразие также влияет на фундаментальное поведение бактерий, такие как передвижение и хемотаксис - дальнейшее расширение концепции бактериальной индивидуальности», - говорит Стокер. Он предполагает, что различное индивидуальное поведение бактерий также может иметь отношение к лучшему пониманию таких процессов, как патогенное заражение кораллов или биоремедиация разливов нефти.