Многие живые системы обладают фундаментальной способностью к сотрудничеству. Растения и животные состоят из миллиардов клеток, которые общаются друг с другом, выполняют определенные задачи и делятся своими ресурсами. Многие одноклеточные микроорганизмы сотрудничают таким же универсальным образом: они образуют сообщества и обмениваются друг с другом полезными генами и ресурсами.
Микроб Myxococcus xanthus особенно склонен к сотрудничеству. Найденный в почвах по всему миру, он использовался учеными в качестве модельного организма для изучения микробного развития и сотрудничества. Клетки этой хищной бактерии образуют кооперативные группы, которые роятся вместе и охотятся на другие микроорганизмы в почве. Чтобы двигаться группой, они выделяют смазочные вещества и отбрасывают придатки, которые прикрепляются к окружающей поверхности и другим клеткам, продвигая их вперед по мере втягивания этих придатков. Когда еды становится мало, тысячи этих бактерий объединяются в плодовое тело и образуют покоящиеся споры, что позволяет им противостоять голоду и засухе.
Близкие, но очень разные
Исследователи ранее имели теоретические основания ожидать, что кооперативные группы микробов в природе в целом могут быть социально однородными, поскольку это предотвратило бы конфликт между клетками, подрывающий сотрудничество. Было показано, что генетически разные люди из разных групп часто избегают, препятствуют и даже сражаются друг с другом. «Наши знания о генетическом составе внутри кооперативных групп этих социальных бактерий в природе были очень ограничены», - говорит Себастьян Вильгосс, преподаватель исследовательской группы профессора Грегори Велисера из Института интегративной биологии ETH Zurich.
Вместе со своими коллегами Вилгосс и Велисер более внимательно изучили генетические отношения между членами одной и той же группы плодовых тел M. xanthus в почве. Они использовали одну из самых больших коллекций штаммов M. xanthus в мире, которую Велисер хранил в своих лабораторных морозильных камерах.
В исследовании, недавно опубликованном в журнале Science, исследователи использовали генетический анализ, чтобы показать, что, хотя кооперативные группы почвенных бактерий M. xanthus действительно состоят из близкородственных клеток, количество генетических типов и разновидностей социального поведения, обнаруженных внутри отдельные группы плодовых тел неожиданно высоки. Исследователи пришли к выводу, что эти коллекции разнообразных клеточных линий могут оставаться нетронутыми в течение сотен поколений.
Отбор по социальным генам
В ходе своего исследования исследователи изучили группы клеток, которые недавно произошли от общего предка. Мутации сформировали различные социально разные, но тесно связанные клеточные линии внутри этих групп, причем линии различались по скорости их роения или количеству спор, которые они производят в плодовом теле.
Некоторые формы разнообразия представляют угрозу для групповой продуктивности. Например, отдельные бактерии могут проявлять «мошенническое» поведение: они мало вносят вклад в группу, эксплуатируя других ее членов и снижая групповую функцию. «Однако поведенческие исследования с этими же группами не обнаружили такого разрушительного для общества мошенничества», - сказал Вилгосс. Напротив, хотя большинство групп очень генетически и социально разнообразны, наблюдаемое разнообразие, по-видимому, не подрывает кооперативные функции на групповом уровне.
Исследователи связывают такое большое разнообразие моделей поведения с эволюционным отбором, который фокусируется на небольшом количестве «социальных» генов, контролирующих социальные привычки бактерий. Мутации в этих «горячих точках отбора», благоприятствовавших естественному отбору, вызывают разнообразные поведенческие изменения, приводя к разнообразному обществу клеток с разным уровнем производства спор и скоростью роения. Исследователи предполагают, что отдельные линии в одной и той же группе, вероятно, также различаются по своим способностям к совместной охоте, хотя в данном исследовании это не проверялось..
Вилгосс объяснил, что естественный отбор может отдавать предпочтение некоторым комбинациям диверсифицированных клеточных линий по сравнению с другими комбинациями или даже по сравнению с гомогенными группами: «Группы клеток с большим поведенческим репертуаром могут более эффективно реагировать на изменения окружающей среды. Они часто могут быть более успешными в эволюционном отношении. чем однородные группы клеток, которые ведут себя одинаково. «Культурное разнообразие», по-видимому, довольно часто встречается среди бактериальных социальных групп».
Понимание взаимодействия ячеек
Микроорганизмы вездесущи. Они выполняют важные функции в нашей повседневной жизни: как помощники в нашей кишечной флоре, как патогены или как агенты в производстве продуктов питания. Многие объединяются в кооперативные группы клеток и в природе. Исследователи полагают, что эти новые данные о генетических и поведенческих свойствах кооперативных почвенных бактерий могут помочь нам понять взаимодействие внутри других типов бактерий, включая важный патоген Pseudomonas aeruginosa, который заражает пациентов с ослабленным иммунитетом и вызывает серьезные длительные инфекции..