Некоторые бактерии, живущие в прудах, озерах и других пресноводных средах, растут быстрее в течение дня, даже если они не используют солнечный свет в качестве источника энергии, утверждают исследователи из Университета Делавэра. Особые гены, которые поглощают свет, возможно, могут объяснить эту повышенную активность, как недавно описала исследовательская группа в Journal of Bacteriology.
Вот одна из причин, по которой все это имеет значение. Чтобы по-настоящему понять жизнь, вам нужно понять углерод. Мы едим углерод, используем его в качестве топлива и выделяем при разложении после смерти. Углеродный цикл, движение углерода в природе, является важным предметом изучения для экологов и других исследователей, которые хотят понять, как деятельность человека влияет на здоровье планеты. Водоемы вносят свой вклад в углеродный цикл, поэтому, углубляя наше понимание этих экосистем, ученые потенциально могут помочь планете в целом. Понимание крошечных существ, которые плавают в воде, является одним из важных шагов.
Джулия Мареска, адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии, хотела выяснить, как два штамма бактерий, обычно встречающихся в пресноводной среде, превращают энергию света в химическую энергию, перекусывая солнечным светом в качестве дополнения к своим энергетическим системам.
Maresca начал с двух бактериальных штаммов: эритроцитов (Rhodoluna (Rhl.) lacicola штамм MWH-Ta8), которые содержат естественную фотосистему для преобразования энергии света в химическую энергию, и желтых клеток (Aurantimicrobium sp.штамм MWH-Uga) без фотосистемы. Команда подозревала, что эритроциты, и только эритроциты, будут расти быстрее при воздействии белого света. Однако, когда исследователь с докторской степенью и соавтор исследования Джессика Кеффер провела первую серию экспериментов, она обнаружила, что оба типа бактерий растут быстрее при освещении. Второй раунд экспериментов подтвердил результаты.
"Стало ясно, что там происходит что-то, что мы не могли объяснить имеющейся у нас информацией", - сказала Мареска.
Дополнительные эксперименты показали, что бактерии растут быстрее в синем свете и ультрафиолетовом свете, но не в красном или зеленом свете. Исследователи начали подозревать, что бактерии, вероятно, не преобразовывали световую энергию в химическую, а вместо этого «поглощали эту световую энергию и использовали ее для получения информации, как это делаем мы», - сказал Мареска. «Когда загорается свет, мы знаем, что пора вставать, завтракать и бодрствовать."
Чтобы исследовать эту возможность, команда исследовала, какие бактериальные гены активны в условиях освещения, а какие в темноте. На свету оба штамма бактерий поглощают больше органического углерода, в том числе сахаров, быстрее их метаболизируют. В темноте эти функции снижаются, и бактерии увеличивают выработку и восстановление белков, создавая и закрепляя механизмы, необходимые для роста и деления. «Днем, когда горит свет, они быстрее метаболизируются», - сказал Мареска. «А в темноте, когда свет выключен, они делают больше ремонта и готовятся к быстрому росту позже».
Затем команда изучила, какие гены были общими у этих бактерий, кроме тех генов, которые необходимы всем бактериям для процветания. С помощью коллег из Центра секвенирования и генотипирования UD они определили, что из несущественных генов есть два, связанных с поглощением синего света. Одним из них является фотолиаза ДНК, которая поглощает синий свет и использует его для восстановления ДНК, ранее поврежденной ультрафиолетовым светом. По словам Марески, это механизм восстановления, но, вероятно, он не способствует росту на свету. Другой ген называется криптохромом, который, как было показано, регулирует циркадные ритмы у животных, растений, грибов и даже у людей. Криптохром, вероятно, отвечает за разницу в скорости роста в условиях освещения.
«У нас нет прямых доказательств того, что этот ген отвечает либо за поглощение света, либо за этот фенотип роста, усиленный светом, но у нас есть много косвенных доказательств того, что это возможно», - сказал Мареска. «Мы очистили этот белок и посмотрели, какие длины волн света он может поглощать, и мы показали, что он может поглощать свет двух длин волн, которые наиболее усиливают рост: 420 нм и 375 нм. Это косвенно, но полезно».
Так почему же эти бактерии, которые обычно находятся в нескольких футах от поверхности пресной воды, чувствуют свет и реагируют таким образом? Эти хорошо освещенные пресноводные среды содержат такие организмы, как водоросли, которые поглощают углекислый газ из воздуха и производят органический углерод - пищу для бактерий. У команды есть рабочая гипотеза о том, что бактерии в этом исследовании могут включить свои механизмы, чтобы совпасть с производством пищи другими видами поблизости. Это как готовиться и бежать к буфету со свежей едой вместо того, чтобы подойти позже, чтобы посмотреть, что осталось. Команда сотрудничает с коллегой из другого университета, чтобы узнать больше о том, как эти бактерии взаимодействуют с водорослями в той же среде.
И если подумать, это направление исследований возникло случайно. «Это пример того, что происходит, когда эксперимент не работает, а потом вы продолжаете задавать вопросы», - сказал Мареска.