Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, которые недавно обнаружили, что бактерии разрешают социальные конфликты внутри своих сообществ и общаются друг с другом, как нейроны в мозге, обнаружили еще одну человеческую черту у этих явно не таких уж простых одноклеточных существа.
Бактерии, живущие в различных сообществах, называемых «биопленками», создают то, что по сути является электронной рекламой, сообщают ученые в статье, опубликованной в номере журнала Cell за эту неделю, посылая электрические сигналы дальнего действия другим видам бактерий, которые могут привести к вербовке новых членов в свое биопленочное сообщество.
«Мы обнаружили, что сообщества бактериальных биопленок могут активно модулировать подвижное поведение различных видов бактерий с помощью электрических сигналов», - сказал Гюрол Сюэль, профессор молекулярной биологии, заместитель директора Центра системной биологии и системной биологии Сан-Диего. Медицинский институт Говарда Хьюза - научный сотрудник факультета Саймонса Калифорнийского университета в Сан-Диего, который руководил исследованиями. «Таким образом, бактерии в биопленках могут осуществлять динамический контроль над поведением отдаленных клеток, которые не являются частью их сообществ».
Биопленки - это сообщества бактерий и других микроорганизмов, образующих тонкие структуры на поверхностях, такие как зубной камень, образующийся на зубах, которые обладают высокой устойчивостью к химическим веществам и антибиотикам. Поскольку мало что известно о том, как они формируются, привлекают другие микроорганизмы и противостоят атакам, такая информация об их поведении имеет практическое применение - от предотвращения образования зубного камня на зубах до предотвращения заражения стафилококком в больницах.
Но идея о том, что бактерии, устроившиеся в своих защитных деревнях из биопленки, ведут себя как изощренные маркетинговые агенты, рекламируя присутствие своих сообществ, рассылая электронные сообщения, переворачивает фундаментальные представления ученых и широкой общественности об этих якобы непритязательных существах..
«Наше исследование показывает, что бактерии, живущие в сообществах биопленок, делают что-то похожее на отправку электронных сообщений друзьям», - сказала Жаклин Хамфрис, докторант, работающая в лаборатории Зюэля и первый автор статьи. «На самом деле, обнаруженный нами механизм является общим. Мы обнаружили, что бактерии одного вида могут посылать электрические сигналы дальнего действия, которые приведут к рекрутированию новых представителей другого вида. В результате мы определили новый механизм и парадигма межвидовой сигнализации."
Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили в своей лабораторной работе, которая объединила эксперименты с математическим моделированием, что биопленка, состоящая из одного вида бактерий Bacillus subtilis, способна рекрутировать бактерии другого вида - в данном случае Pseudomonas. aeruginosa - посредством электрической сигнализации.
Используя микрожидкостные камеры для выращивания, биологи задокументировали процесс, посредством которого электрические сигналы ионов калия, генерируемые биопленками B. subtilis, привлекали отдаленные клетки в камерах к краю электрически колеблющихся биопленок.
Зуэль и его команда аспирантов и докторантов летом 2015 года обнаружили, что колебания внутри биопленочных сообществ разрешают социальный конфликт между отдельными клетками, которые сотрудничали, но также должны были конкурировать за пищу.
Бактерии на внешнем краю биопленки находятся ближе всего к питательным веществам, необходимым для роста, и могут голодать защищенные внутренние клетки. Но ученые обнаружили, что колеблющиеся биопленки развивают то, что они называют «метаболической взаимозависимостью», периодически притормаживая рост внешних клеток, чтобы дать внутренним клеткам доступ к питательным веществам.
Вскоре после этого Зюэль и его команда обнаружили, что бактерии, живущие в сообществах биопленок, общаются друг с другом в электронном виде через белки, называемые «ионными каналами», метод электрической передачи сигналов, аналогичный тому, который используется нейронами в человеческом мозгу.
Их последнее открытие - то, что бактерии в биопленках могут рекрутировать другие виды с помощью электрических сигналов дальнего действия - может оказаться не только самым удивительным из открытий команды, но, возможно, самым важным для нашего понимания того, как бактерии влияют на здоровье человека.
«Наше последнее открытие предполагает, что состав бактериальных сообществ смешанных видов, таких как микробиом нашего кишечника, может регулироваться с помощью электрических сигналов», - сказал Сюэль. «Возможно даже, что бактериальные и человеческие кишечные клетки могут электрически взаимодействовать внутри человеческого кишечника. Наша работа может даже привести в будущем к новым биомедицинским подходам, основанным на электричестве, для контроля поведения бактерий и сообществ».
Другими соавторами статьи были биологи Цзиньтао Лю и Артур Приндл, исследователи с докторской степенью в лаборатории Зюэля; биолог Фан Юань, докторант лаборатории; физик Калифорнийского университета в Сан-Диего Лиян Сюн; Хайди Арджес из Стэнфордского университета и Лев Цимринг, научный сотрудник и заместитель директора Института биосхем Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Видео: