Бактериальные клетки общаются друг с другом с помощью химических сигнальных молекул, которые они синтезируют и выделяют в окружающую среду. Таким образом можно контролировать и координировать поведение всей популяции. Биофизики во главе с профессором Эрвином Фреем, заведующим кафедрой биологической и статистической физики в LMU, теперь теоретически показали, как этого можно добиться, даже если только часть клеток фактически излучает необходимые сигналы. Новые результаты опубликованы в онлайн-журнале eLife..
Как только концентрация соответствующей сигнальной молекулы достигает определенного порогового уровня в окружающей среде, бактерии могут коллективно реагировать, реализуя специфический поведенческий ответ, такой как производство биолюминесцентных соединений или образование биопленки. Этот механизм называется «чувством кворума». Этот термин был получен из первоначального убеждения, что все клетки производят сигнал, так что его концентрация в окружающей среде напрямую отражает количество присутствующих клеток. Однако более поздние исследования показывают, что это не всегда так, даже в генетически идентичных популяциях. «Нам было интересно понять, как такая фенотипическая гетерогенность может возникнуть в ситуациях, когда клетки генетически идентичны и находятся в одинаковых условиях окружающей среды», - говорит Йоханнес Кнебель, один из первых авторов новой статьи.
Фрей и его коллеги использовали математические модели для анализа сложного взаимодействия между экологическими факторами и динамикой популяций и смогли продемонстрировать, что популяции действительно могут скоординировано реагировать на химическую информацию, даже когда генерируются сигнальные молекулы. только подмножеством ячеек. «Для этого должны быть выполнены два предварительных условия», - говорит Кнебель.«Первое условие состоит в том, что все клетки популяции должны быть способны реагировать на фактический уровень сигнала в окружающей среде, другими словами, они должны быть способны воспринимать сигнал и увеличивать свою продукцию. Второе необходимое условие состоит в том, что синтез и секреция сигнала снижают приспособленность клеток-продуцентов. Так было бы, например, в том случае, если для производства сигнала требуется затрата энергии, что неизбежно привело бы к снижению скорости деления клеток-продуцентов».
В этих условиях непродуцирующие клетки в модели всегда растут быстрее, чем продуцирующие. Поскольку все бактерии в популяции могут воспринимать сигнал, непродуценты могут отреагировать на его присутствие, став сами продуцентами. С другой стороны, бактерии, уже вовлеченные в производство сигналов, не будут увеличивать скорость его синтеза. «Бактерии реагируют на окружающую среду, которая сформирована ими самими. Эта экологическая обратная связь - это то, что делает возможным возникновение фенотипической гетерогенности в генетически идентичных популяциях», - говорит Фрей.«Наш математический анализ показывает, что однажды установленная такая неоднородность может стабильно сохраняться и устойчива к возмущениям».
Было высказано предположение, что такое гетерогенное производство сигнальных молекул может быть выгодным для всей популяции, поскольку оно позволяет разделить труд между производителями сигналов и непродуцентами или поскольку создание фенотипической диверсификации обеспечивает большую эволюционную гибкость. и позволяет населению быстрее адаптироваться к изменениям окружающей среды. Однако понимание биологических функций фенотипической гетерогенности в таких системах потребует специальных экспериментальных исследований, говорят авторы новой статьи.