Уже давно известно, что генетически модифицированные бактерии, которые утратили способность производить определенные аминокислоты и извлекать эти питательные вещества из окружающей среды, растут лучше, чем бактерии, которые сами производят все питательные вещества. Это побудило Кристиана Коста, руководителя исследования, а ныне профессора Оснабрюкского университета, задаться вопросом, будет ли естественный отбор способствовать утрате способностей, что сделает бактерии более зависимыми от окружающей среды. Чтобы выяснить это, Кост и его аспирант Глен Д'Суза культивировали кишечную бактерию Escherichia coli в течение нескольких поколений в условиях оптимального питания. Культуру регулярно переносили в свежий питательный раствор, и во время некоторых из этих переносов брали образец для изучения бактериальных способностей и генов.
Результаты подтвердили предположение: часть бактерий, которые изначально были автономными, утратили способность производить метаболиты, такие как аминокислоты; они стали зависимыми от окружающей среды, обогащенной этими питательными веществами. «К нашему удивлению, мы обнаружили аналогичные результаты, когда в культуральную среду не добавлялись питательные вещества», - объяснил Глен Д'Суза, первый автор исследования. «Бактерии были разделены на две группы: одна группа все еще была независимой, тогда как другая группа стала зависеть от этих автономных бактерий, которые все еще сами производили питательные вещества».
Подобная потеря признаков наблюдается не только у бактерий, но и у других групп организмов. Многие животные, в том числе и люди, не способны сами производить витамины - они зависят от пищи или бактерий, вырабатывающих витамины, в кишечнике. Многие патогены нуждаются в веществах, вырабатываемых их хозяевами, для размножения. До сих пор было неясно, почему организмы отказываются от своей автономии и становятся зависимыми от других. Это исследование теперь показывает, что потеря способностей может быть эволюционно выгодной и, таким образом, стимулировать адаптацию.
Были и другие результаты, которых мы совсем не ожидали: при изучении генома зависимых бактерий мы обнаружили мутации не только в генах, непосредственно участвующих в биосинтезе аминокислот, но и в генах, которые регулируют белки, участвующие в активации или торможении метаболических процессов», - сообщает Кристиан Кост. Это означает, что адаптация бактериальной популяции может осуществляться разными путями. В текущем исследовании эта адаптация происходила только в одном направлении: одна группа бактерий становилась зависимой от другой. Однако исследователи убеждены, что более длительный период тестирования в конечном итоге привел бы к взаимным и более сложным зависимостям. Поэтому они планируют продлить продолжительность своего эксперимента. Естественный отбор зависит не только от генетической одаренности популяции, но и от ее размера. В зависимости от образа жизни природные бактериальные популяции значительно различаются по размеру. Следовательно, ученые хотят выяснить, как размер бактериальной популяции влияет на развитие зависимостей и изменения в бактериальных геномах.
Основной проблемой биологических исследований является то, что большинство бактерий невозможно культивировать в лабораторных условиях. Результаты нового исследования могут объяснить, почему это так: популяции бактерий быстро развивают метаболическую зависимость от окружающей среды, теряя соответствующие гены биосинтеза. Метагеномный анализ образцов окружающей среды, который включает экологические взаимодействия микробных сообществ с их естественной средой, может помочь решить эту проблему.
Экспериментальные результаты актуальны и в более прикладных контекстах: в конце концов, бактериальные сообщества играют важную роль в здоровье растений, животных и человека. Метаболическая кооперация, то есть вопрос о том, как бактерии участвуют в обмене метаболитами, может стать решающим фактором при выборе бактериальных сообществ для применения в сельском хозяйстве или здравоохранении с целью поддержки либо роста, либо защиты от патогенов.