Споры бактерий «думают» во сне: как покоящиеся клетки решают вернуться к жизни
При неблагоприятных условиях некоторые бактерии впадают в состояние покоя (спору), в котором жизненные процессы останавливаются. Это позволяет им выдерживать экстремальные температуры, давление и даже условия открытого космоса. Когда среда становится благоприятной, споры, спавшие годами, могут проснуться за минуты.
Долгое время оставалось неизвестным, могут ли споры оценивать окружающую среду, оставаясь в состоянии глубокого покоя, особенно при неоднозначных сигналах. Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего решили эту загадку.
Ключевое открытие: Споры обладают способностью обрабатывать информацию, оставаясь в физиологически неактивном состоянии. Они используют запасённую электрохимическую энергию, подобно конденсатору, чтобы оценить, подходят ли условия для возвращения к жизни.
- «Мы показали, что клетки в глубоко покоящемся состоянии могут обрабатывать информацию. Споры могут использовать свой запасённый электрохимический потенциал для "вычислений" о среде без необходимости метаболической активности», — пояснил профессор Гюроль Сюэль.
Как это работает?
Учёные исследовали споры Bacillus subtilis. Оказалось, что споры могут «суммировать» кратковременные благоприятные сигналы, которые сами по себе слишком слабы для пробуждения. Для этого они используют механизм integrate-and-fire, основанный на потоках ионов калия (K+).
- В ответ на каждый слабый сигнал спора высвобождает часть запасённого калия.
- Последовательные сигналы суммируются.
- Если суммарный сигнал достигает порогового значения, спора принимает решение выйти из состояния покоя.
Эта стратегия предотвращает преждевременное пробуждение в неблагоприятных условиях.
Параллель с нейронами: Процесс обработки информации спорами аналогичен работе нейронов мозга. И те, и другие суммируют небольшие входные сигналы во времени, чтобы достичь порога для реакции (нейрон генерирует потенциал действия, спора — запускает пробуждение). При этом споры делают это без затрат метаболической энергии, в отличие от энергозатратных нейронов.
Значение открытия:
- Медицина и безопасность: Меняет подход к борьбе с патогенными спорами (например, возбудителя сибирской язвы) и контаминацией в пищевой промышленности.
- Астробиология: Если жизнь на других планетах (Марс, Венера) будет найдена, она, вероятно, будет находиться в состоянии покоя. Это исследование показывает, что даже инертные на вид формы могут обладать способностью оценивать среду для принятия решений.
Исследование опубликовано в журнале Science.