Бактерии — тоже индивидуальности

Каждый человек содержит в 10 раз больше бактериальных клеток, чем человеческих. Эти бактерии продолжают эволюционировать в ответ на самые мощные антибиотики. Но микроскопические организмы влияют не только на здоровье человека — они также жизненно важны для здоровья всех водоёмов планеты. По словам Ферди Хеллвегера, доцента гражданского и экологического строительства в Северо-Восточном университете, микробное загрязнение представляет собой одну из самых серьёзных проблем для озёр, рек и эстуариев.

Однако, по его словам, до недавнего времени инструменты для изучения микробов были довольно архаичными. «Традиционный подход заключался в том, чтобы взять все клетки, измельчить их и пропустить через аппарат в химической лаборатории, — объяснил он. — Сейчас это кажется абсурдным».

Традиционно микробные экологи считали все бактериальные клетки одинаковыми. «Как только вы поймёте, как ведёт себя одна, вы поймёте, как ведут себя все», — сказал Хеллвегер, который в 2011 году провёл семинар о меняющемся лице микробного моделирования.

Эта перспектива породила подход к моделированию поведения бактерий, основанный на стратегиях из физических наук: «Мы моделировали их так, как если бы они были молекулами, используя химические уравнения», — пояснил Хеллвегер.

Но недавние достижения в наблюдательных технологиях показали, что популяции отдельных бактерий так же разнообразны, как человеческая популяция или любой другой вид. «Мы начинаем видеть всю эту захватывающую индивидуальность от одной клетки к её соседке, — сказал Хеллвегер. — Мы завалены потоком новых наблюдений, но наши традиционные инструменты анализа не могут с ними справиться».

В статье-мнении, недавно опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Хеллвегер и его коллеги с семинара предложили новую стратегию для работы с этими микробными данными: моделирование отдельных бактерий.

Этот подход также позволяет лучше изучить свойства, которые возникают, когда эти индивидуальные агенты действуют как коллективная популяция, пояснил Хеллвегер. Например, биоплёнки — это колонии бактериальных клеток, которые работают вместе почти как единый организм. Но клетки, погребённые глубоко внутри биоплёнки, генетически отличаются и ведут себя совсем не так, как клетки на поверхности, у которых гораздо больше доступного кислорода и питательных веществ. Чтобы понять биоплёнку, объяснил Хеллвегер, нам нужно сначала понять её отдельные клетки.

Несмотря на то, что наши тела кишат бактериальными клетками, наше понимание микробиома — совокупности клеток, живущих в нас и на нас — довольно ограничено. Мы знаем, что это важно, сказал Хеллвегер, но мы не знаем, как это работает. Точно так же мы понимаем, что наши водные ресурсы чрезвычайно зависят от идеального баланса микроорганизмов, но мы ещё не знаем в деталях, как выглядит этот баланс.

Чтобы ответить на такие вопросы, исследователям необходимо развить глубокое понимание бактериального сообщества. Пока наука не сможет учесть индивидуальность клеток, составляющих это сообщество, усилия вряд ли продвинутся далеко.