Сложность циркадных часов у бактерий: новые открытия
Бактерии составляют более 10% всех живых существ, но лишь недавно стало известно, что у почвенных бактерий, как и у людей, есть внутренние часы, синхронизирующие их активность с 24-часовыми циклами дня и ночи на Земле.
Новое исследование показывает, насколько сложны и совершенны эти бактериальные циркадные часы, открывая путь для нового этапа изучения. Эта работа даст разнообразные возможности — от точного определения времени приёма антибиотиков до биоинженерии более «умных» кишечных и почвенных микробиомов. Статья «Циркадные часы бактерии B. subtilis демонстрируют свойства сложных многоклеточных циркадных систем» опубликована в Science Advances.
Международная коллаборация учёных из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене (LMU Munich), Центра Джона Иннеса, Технического университета Дании и Лейденского университета сделала это открытие, исследуя экспрессию генов как свидетельство активности часов у широко распространённой почвенной бактерии Bacillus subtilis.
Ведущий автор доктор Франческа Сартор (LMU Munich) отмечает: «Циркадные часы у этого микроорганизма повсеместны: мы видим, как они регулируют несколько генов и целый ряд различных форм поведения».
Профессор Энтони Додд из Центра Джона Иннеса добавляет: «Удивительно, что у одноклеточного организма с таким маленьким геномом есть циркадные часы со свойствами, напоминающими часы более сложных организмов».
Предыдущая работа этой команды продемонстрировала существование циркадных часов у лабораторного штамма этой бактерии. Это был первый случай наблюдения циркадных ритмов у Bacillus subtilis. Исследователи использовали технику вставки фермента люциферазы, который производит свет при экспрессии гена. Эта биолюминесценция позволила команде отслеживать бактериальные часы при изменении условий.
Старший автор публикации профессор Марта Мерроу (LMU Munich) сказала: «Это исследование показывает, что циркадные часы широко распространены у Bacillus subtilis. Мы могли бы использовать знания о часах для улучшения результатов в области здоровья и повышения устойчивости производства продуктов питания или биотехнологий».
Это новое исследование — значительный шаг вперёд по нескольким причинам:
- Оно показывает, что эти часы существуют у штаммов, собранных в природной среде, а значит, могут быть широко распространены у этой бактерии.
- B. subtilis продолжает демонстрировать циркадные ритмы как в постоянной темноте, так и при постоянном освещении.
- Исследователи выявили примеры тонких реакций, характерных для циркадных часов многих других организмов.
В области циркадной биологии эти реакции известны как «последействия» и «Правило Ашоффа». В совокупности это говорит о том, что, как и у более сложных организмов, бактерии могут синхронизировать свою физиологию и метаболизм с разным временем суток по мере изменения условий освещённости и температуры.
Это открытие открывает возможности для биотехнологий, здоровья человека и науки о растениях:
- Понимание свойств бактериальных циркадных часов может помочь в промышленном применении микробиологии.
- Оно может привести к новому пониманию того, как формируются микробиомы, и указать, насколько эффективно антибиотики работают в определённое время суток для борьбы с патогенными бактериями.
- Эти знания также могут помочь в защите сельскохозяйственных культур. Bacillus subtilis — полезная почвенная бактерия, используемая фермерами для помощи в обмене питательными веществами, развитии растений и защите от патогенных микробов.
Команда развивает Bacillus subtilis как модельный организм для изучения циркадных часов у бактерий. Один из следующих шагов — выяснить, какие гены работают, составляя механизм часов. Команда также интересуется, как циркадные часы B. subtilis зависят от многоклеточной организации для своей полной функциональности.
Профессор Акош Т. Ковач из Лейденского университета и Технического университета Дании сказал: «Французский биолог Жак Моно однажды famously сказал: "Что верно для E. coli, верно и для слона". В то время он имел в виду универсальные правила молекулярной биологии ДНК и белков. Точно так же удивительно, что циркадные часы у Bacillus subtilis — бактерии всего с четырьмя тысячами генов — имеют сложную циркадную систему, которая напоминает циркадные часы сложных организмов, таких как мухи, млекопитающие и растения».