Ученые предложили способ изучить влияние старения на рост бактерий
Исследователи разработали метод измерения влияния старения клеток на скорость роста популяций. Этот подход позволяет по-новому понять и смоделировать рост бактерий и может дать представление о том, как генетические факторы влияют на их жизненный цикл. Работа опубликована в журнале Evolution: International Journal of Organic Evolution учеными из Нью-Йоркского университета (NYU) и Токийского университета.
Когда бактериальные клетки стареют, их способность к размножению снижается. На отдельные клетки в популяции действует сила естественного отбора, возникающая из-за различий в скорости роста. В растущих популяциях обычно доминируют относительно молодые клетки. Однако возрастная структура популяции сильно зависит от взаимодействия между отбором и репродуктивными способностями клеток.
Ученые хотели понять, как изменения репродуктивной способности клеток влияют на скорость роста популяции. Этот вопрос восходит к фундаментальным работам в области генетики популяций Рональда Фишера (1930-е) и Уильяма Гамильтона (1960-е). Обычно ответ на него получают косвенно, используя таблицы выживания и данные о репродуктивной способности.
Исследователи из NYU и Токийского университета предположили, что более прямой подход — изучение линий бактерий, то есть их истории на протяжении нескольких поколений. Это позволило им напрямую измерить реакцию скорости роста бактерий на возрастные изменения смертности и репродуктивной способности.
«Сила отбора внутри популяций оставляет ключевые следы в древе линий популяции», — пояснил Эдо Куссэлл, профессор биологии Центра геномики и системной биологии NYU, ведущий автор исследования. — «Теория позволяет нам интерпретировать их мощными способами. Например, мы обнаружили, что то, как часто определенный возраст наблюдается вдоль линий, напрямую показывает, насколько важен этот возраст для скорости роста популяции. Это позволило бы нам предсказать успех или неудачу мутантных бактерий, которые стареют иначе, чем обычные».
Используя экспериментальные данные лабораторных популяций E. coli, исследователи подтвердили несколько теоретических предсказаний.
Эта работа основана на более ранней публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences, где Куссэлл и его соавтор Станислас Лейблер из Рокфеллеровского университета предложили способ вывести поведение отдельных клеток из измерений на уровне популяции.
Одно из рассматриваемых ими поведений — стохастическое переключение. Это стратегия, при которой клетки случайным образом активируют определенные гены, чтобы выжить. Этим механизмом пользуются патогенные бактерии, что приводит к альтернативным клеточным состояниям, повышающим их выживаемость. Клетки, лучше всего приспособленные к данным условиям, выживают, а другие погибают — еще один пример отбора внутри популяций.
Исследование было сосредоточено на понимании двух типов клеточных стратегий:
- Адаптивное переключение — клетки меняют состояние, реагируя на изменение среды.
- Стохастическое переключение — клетки случайным образом активируют гены независимо от внешних факторов.
Внутри популяции сложно определить, какая стратегия используется. Куссэлл и Лейблер разработали метод, позволяющий их различить. Они показали, что индивидуальные истории клеток (их линии) выявляют различия между стохастическим и адаптивным переключением.
«Поскольку организмы со стохастическим переключением полагаются на отбор для выживания, мы ожидали, что, измерив силу отбора, сможем различить две стратегии», — сказал Куссэлл. — «И снова отбор оставляет ключевой след в древе линий популяции. В этом случае след — это дисперсия в клеточных делениях между линиями. Если мы ее измерим, то сможем определить, какую стратегию используют клетки внутри».
Ученые смоделировали рост бактерий в меняющихся условиях среды и применили свои тесты, основанные на анализе линий. Это позволило им показать, что древо линий действительно содержит достаточно информации, чтобы различать две клеточные стратегии.
Важность стохастического переключения недавно была продемонстрирована в популяциях раковых клеток. С улучшением инструментов для отслеживания линий раковых клеток вскоре может стать возможным применить идеи, разработанные Куссэллом и его коллегами для бактерий, и к другим системам, таким как популяции опухолевых и стволовых клеток.