Многие бактерии, в том числе опасные патогены, могут вносить радикальные изменения в свой метаболизм, переходя в спящее состояние, что позволяет им выживать в периоды, когда рост невозможен. Такой покой возникает, например, когда микробам не хватает пищи. Международные исследователи, работающие с профессорами Карлом Форчхаммером и Александром Клотцем в Межфакультетском институте микробиологии и инфекционной медицины Тюбингенского университета, стали первыми, кто проанализировал процесс пробуждения цианобактерий. Они обнаружили, что процесс возрождения клеток следует строгому генетическому графику. Результаты их исследования были опубликованы в последнем номере журнала Current Biology. Полученные данные дают представление о ранее неизвестной стратегии выживания бактерий и позволяют исследователям сделать ключевые выводы о процессах старения клеток.
Сине-зеленые фотосинтезирующие цианобактерии принадлежат к древнейшей группе бактерий; следы их насчитывают более трех миллиардов лет. Их деятельность высвободила кислород в атмосферу, позволив жизни на Земле в ее нынешних формах. Цианобактерии продолжают играть важную роль в экологических циклах. Когда азота как основного питательного вещества не хватает, многие цианобактерии перестают расти и переходят в состояние покоя. Они разрушают свой фотосинтезирующий аппарат и теряют окраску. Таким образом, они могут долгое время обходиться без питательных веществ. Тем не менее, при воздействии доступного источника азота они возвращаются к нормальной жизни в течение 48 часов. «Клетки только кажутся мертвыми. Их жизненные функции вновь появляются из ниоткуда», - говорит Карл Форчхаммер. До недавнего времени мало что было известно, что привело к этому очевидному возрождению бактериальных клеток.
«В наших экспериментах программа возрождения клеток началась почти сразу же, как мы добавили нитраты», - говорит Форчхаммер. «Процесс очень организован». На первом этапе бактерии подавляли всю оставшуюся активность фотосинтеза и вместо этого использовали свои резервы для быстрого получения энергии. Клеточные процессы включались по строгому поэтапному расписанию. Первыми активировались производство механизмов синтеза белка наряду с потреблением и переработкой азота. «Только через 12-16 часов начался фотосинтез, а полная мощность была достигнута через 48 часов. Затем клетки снова начали расти и делиться», - говорит Александр Клотц, докторант исследовательской учебной группы «Молекулярные принципы стратегий выживания бактерий»., которую возглавляет профессор Форчхаммер. Наблюдения исследователей показывают, что важные переключатели в процессе пробуждения расположены в участках незакодированной РНК. Это копии ДНК, которые не транслируются в белки; у них есть регулирующие функции.
«Эта генетически закодированная программа покоя и возрождения позволяет цианобактериям колонизировать среду, в которой поступление азота непостоянно», - говорит Форчхаммер. «Это один из способов, с помощью которого они могут пережить стресс окружающей среды и, таким образом, смогли выжить на протяжении более трех миллиардов лет эволюции». Феномен покоя также встречается у многих других бактерий, особенно у тех, которые колонизируют среду, часто сталкивающуюся с нехваткой питательных веществ. «Вы можете рассматривать спящую стадию как своего рода банк семян, резервуар клеток, которые могут быстро размножаться, как только условия окружающей среды станут благоприятными», - говорят исследователи. «Вот как, например, патогены выходят из состояния покоя и вызывают инфекции». По словам Форчхаммера, результаты этого исследования раскрыли принцип, который действителен для многих типов бактерий.«Это поможет нам лучше контролировать распространение опасных бактерий», - говорит он.