Одной из наиболее изученных тем молекулярной биологии является бактериальный хемотаксис - движение бактериальных клеток в ответ на химические раздражители. В то время как ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего думали, что они - и научное сообщество в целом - знают все, что можно было знать о том, как и почему бактериальные клетки перемещаются, они были удивлены, осознав, как мало они понимают о том, как бактерии перемещаются как группа. Новые результаты этого последнего исследования опубликованы в виде редких статей в журнале Nature от 6 ноября 2019 г.
В первой статье заслуженный профессор физики и биологии Теренс Хва вместе с научным сотрудником Джонасом Кремером и другими исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего работали с модельной бактерией E. coli, чтобы показать, что хемотаксис обеспечивает механизм для бактериальных популяций. провести высокоэффективный способ организованного исследования незанятых окружающих территорий. Вместо того, чтобы начать исследование, когда питательные вещества закончились в текущей среде, как это обычно считалось, исследовательская группа обнаружила, что бактерии начинают исследование, когда счастливо растут в своей текущей среде.
«На самом деле, чем лучше окружающая среда, тем активнее бактерии участвуют в разведке - это напоминает о том, как преуспевающие корпорации, такие как Google®, активнее занимаются диверсификацией, несмотря на быстро развивающийся основной бизнес», - сказал Хва..
Используя высокоскоростные микроскопы, исследователи смогли проследить движение отдельных бактерий в многотысячной популяции, которые сформировали так называемое «роевое кольцо» хемотаксиса - легко заметную «рябь». который расширяется наружу после того, как капля бактерий попадает в богатую питательными веществами среду обитания. К своему удивлению, исследователи заметили, что «кольцо роя» было не просто небольшой группой рассеянных бактерий, как это принято считать. Вместо этого кольцо бактерий включало в себя первопроходцев-исследователей, которые размножались по мере миграции, оставляя за собой след потомства.
«В отличие от муравьиных следов, тянущиеся бактерии не будут мигрировать, а будут размножаться в своих соответствующих местах за расширяющимся кольцом, в конечном итоге заполняя все пространство, окруженное кольцом», - объяснил Хва. «Эти бактерии, по-видимому, достаточно умны, чтобы понимать, что экспоненциальный рост не может поддерживаться в данной местности в течение длительного времени. Поэтому новаторские исследователи отправляются туда, пока питательные вещества в изобилии, чтобы популяция не застряла, когда питательные вещества закончатся."
Хва отметил, что, хотя ученым было хорошо известно, что бактерии ориентируются в пространстве, двигаясь к более высоким концентрациям определенных молекул, называемых «хемоаттрактантами», долгое время считалось, что эти молекулы «привлекательны», потому что они являются хорошими источниками питательных веществ. Команда Хва, однако, показала, что сильнодействующие хемоаттрактанты не являются хорошими источниками питательных веществ для бактерий, и они наиболее эффективны, когда представлены в низких дозах в сочетании с хорошими питательными веществами. Это привело исследователей к выводу, что хемоаттрактанты больше похожи на аромат, чем на пищу для бактерий.
«Мы показали, как бактерии-первопроходцы могут эффективно формировать низкие уровни хемоаттрактантов в градиент для навигации в процессе исследования, определения направления, а также увеличения скорости движения популяции», - сказал Кремер.
Исследовательская группа завершила свою работу, сравнив навигационный способ исследования, заселения и размножения бактерий с неуправляемым процессом «расширения диапазона», не включающим хемотаксис, как это обычно предполагается в экологии (см. фильм 1). Поскольку популяция распространяется быстрее и дает больший прирост при навигационных исследованиях, Хва и Кремер предсказывают, что этот процесс может широко использоваться в природе, далеко за пределами мира бактерий.
"Нетрудно представить, что популяция высших животных может использовать ту же стратегию, что и бактерии, - изменять окружающую среду и генерировать сигналы, направляющие популяцию на быстрое расширение на незанятые территории."
Быстрее, но не обязательно лучше
Вторая статья, опубликованная в Nature, основывается на уроках, извлеченных из первой. В этой статье Хва и Кремер, работая с учеными из Китайской академии наук в Шэньчжэне, Китай, изучили эволюционные основы стратегии навигационных исследований, проводимой хемотаксическими бактериями.
Посредством серии лабораторных эволюционных экспериментов по отбору E. coli, которые успешно колонизируют среды обитания разных размеров, исследователи изучили преимущества приспособленности хемотаксических бактерий на разных расстояниях от общего исходного положения.
«Традиционная мудрость предполагает, что для нескольких типов бактерий с разным диапазоном скоростей первый вид, достигший незанятой среды обитания, будет иметь решающее преимущество в колонизации этой среды обитания по сравнению с другими бактериями с аналогичным поведением роста», - сказал Хва.. «Но наши эксперименты по эволюции неожиданно показали, что более быстрые штаммы не обязательно выгодны. В то время как более быстрые штаммы имеют преимущества на больших расстояниях, более медленные штаммы выгодны на меньших расстояниях».
Эти результаты, вместе с результатами из первой статьи, позволили команде обнаружить ограничение между скоростью расширения популяции и размером среды обитания, которую популяция может успешно колонизировать - это просто размер, который Фронт расширения популяции может достигнуть за несколько раз повторения.
Хва объяснил, что это ограничение отражает необходимую координацию между скоростью расширения и темпами роста населения, необходимой для успешной колонизации новых местообитаний.
«Если экспансия будет происходить со скоростью, превышающей скорость размножения организмов на новой земле, то они в конечном итоге потеряют свои права на землю, даже если они займут ее первыми», - сказал Хва. «Возможно, это аналогично тому, почему армия Чингисхана могла пройти через половину цивилизованного мира, не имея возможности управлять завоеванной землей».
Предложенное ограничение было количественно подтверждено исследователями, которые повторили эксперименты по эволюции в разных средах обитания, допуская множество комбинаций скоростей и темпов роста. По словам Хва, количественные предсказания результатов эволюционных экспериментов очень редки, но успех этих исследований может дать надежду на более эффективные подходы к изучению эволюционных процессов в будущем.
Хва также предположил, что ограничения, обнаруженные ими в стратегии разведки, могут применяться и к другим типам систем разведки, включая, возможно, растущие опухоли или даже расширение бизнеса.
Соавторами первой статьи являются Томоя Хонда из отдела биологических наук и Ин Тан, Джером Вонг-Нг и Массимо Вергассола из отдела физики. Над вторым документом Хва и Кремер работали с соавторами Вейронг Лю, Дэнджин Ли и Ченли Лю из Китайской академии наук.