Координация поведения бактерий при неоднородности популяции

Бактерии общаются друг с другом с помощью химических сигнальных молекул, которые они синтезируют и выделяют в окружающую среду. Это позволяет контролировать и координировать поведение всей популяции. Биофизики под руководством профессора Эрвина Фрея, заведующего кафедрой биологической и статистической физики в LMU, теоретически показали, как это может быть достигнуто, даже когда лишь часть клеток фактически испускает необходимые сигналы. Новые результаты опубликованы в онлайн-журнале eLife.

Когда концентрация сигнальной молекулы в среде достигает определенного порогового уровня, бактерии могут коллективно отреагировать, реализуя специфический поведенческий ответ, например, производя биолюминесцентные соединения или формируя биопленку. Этот механизм называется «чувством кворума». Термин был производным от первоначального убеждения, что все клетки производят сигнал, так что его концентрация в среде напрямую отражала количество присутствующих клеток. Однако более поздние исследования показывают, что это не всегда так — даже в генетически идентичных популяциях. «Нас интересовало понять, как такая фенотипическая неоднородность может возникать 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 популяции. Они смогли продемонстрировать, что популяции действительно могут реагировать скоординированно на химическую информацию, даже когда сигнальные молекулы генерируются лишь подмножеством клеток. «Для этого должны быть выполнены два условия», — говорит Кнебель. «Первое — все клетки в популяции должны быть способны реагировать на фактический уровень сигнала в окружающей среде, то есть они должны уметь воспринимать сигнал и увеличивать его производство. Второе условие — синтез и секреция сигнала снижают приспособленность клеток-продуцентов. Это было бы так, например, если производство сигнала требует затрат энергии, что неизбежно снижает скорость деления клеток-продуцентов».

При этих условиях не производящие сигнал клетки в модели всегда растут быстрее, чем продуценты. Поскольку все бактерии в популяции могут воспринимать сигнал, не-продуценты могут реагировать на его присутствие, становясь продуцентами. Бактерии, уже занятые производством сигнала, с другой стороны, не будут дальше увеличивать скорость его синтеза. «Бактерии реагируют на среду, которую формируют они сами. Эта экологическая обратная связь — то, что делает возможным возникновение фенотипической неоднородности в генетически идентичных популяциях», — говорит Фрей. «Наш математический анализ показывает, что, будучи установленной, такая неоднородность может стабильно сохраняться и устойчива к возмущениям».

Высказывались предположения, что такое неоднородное производство сигнальных молекул может быть выгодно для всей популяции, поскольку позволяет разделить труд между продуцентами сигнала и не-продуцентами, или потому что создание фенотипического разнообразия обеспечивает большую эволюционную гибкость и позволяет популяциям быстрее адаптироваться к изменениям окружающей среды. Однако понимание биологических функций фенотипической неоднородности в таких системах потребует целенаправленных экспериментальных исследований, говорят авторы новой статьи.