Личность и перепады настроения у бактерий

Бактерии могут контролировать своё движение с помощью сигнальной сети белковых молекул. Учёные из AMOLF разработали метод микроскопии, позволяющий наблюдать, как отдельные бактерии используют эту сеть для принятия решений. Они обнаружили, что бактерии удивительно разнообразны по «личности» и «настроению». Результаты опубликованы в научном журнале eLife 12 декабря 2017 года.

Бактерии, будучи одноклеточными организмами, не имеют нервной системы, но способны управлять движением с помощью сети взаимодействующих белковых молекул, подобно нейронным цепям в мозге. Например, безвредная кишечная палочка (E. coli) использует сенсорные белки для обнаружения молекул пищи или токсинов и решает, как часто менять направление движения («кувыркаться»), чтобы оказаться в благоприятной среде.

Увеличение до уровня отдельных клеток

В течение многих лет исследования молекулярных цепей бактерий, таких как E. coli, основывались на усреднении сигнала по сотням клеток. Йоханнес Кегстра, аспирант в группе Тома Шимидзу, разработал метод микроскопии, позволяющий увидеть, как белковая сеть в каждой отдельной бактерии реагирует на изменения среды, например, на количество пищи.

Личность

Бактерии в экспериментах имели идентичную последовательность ДНК и выращивались в одинаковых условиях. Тем не менее, исследователи обнаружили, что белковая сеть в каждой из них ведёт себя по-разному в одной и той же химической среде. «Каждая бактерия, кажется, имеет свою собственную личность», — говорит Кегстра. Например, концентрация химического вещества, на которую реагируют бактерии, значительно варьируется между клетками.

Настроение

Помимо явных различий между бактериями («личность»), Шимидзу и Кегстра также обнаружили, что внутри каждой бактерии молекулярная активность может значительно меняться со временем. Взаимодействие белковых молекул, контролирующих движение, нестабильно и постоянно варьируется, даже в «спокойной» среде без изменений в количестве пищи или токсинов. Эта «переменчивость настроения» означает, что механизм, с помощью которого бактерии «решают» кувыркаться или плыть прямо, получает не стабильный, а случайно изменяющийся входной сигнал.

Исследователи полагают, что эти изменчивые молекулярные сигналы вызваны случайными событиями внутри клетки. «Мы считаем, что индивидуальность бактерий обусловлена не природой (последовательностью ДНК) или воспитанием (условиями среды), а случайными событиями, такими как молекулярные столкновения внутри единственной клетки бактерии — классическим примером того, что физики называют «шумом», — говорит Шимидзу. Поскольку бактерии не производили новых белков во время эксперимента, различия в личности могут быть вызваны разным уровнем белков между бактериями, а перепады настроения — результатом шума во взаимодействии этих белков внутри каждой бактерии.

Случайный поиск пищи

«Мы были действительно удивлены тем, насколько резки их перепады настроения», — добавляет Кегстра. Поскольку известно, что бактерии могут предотвращать такое случайное взаимодействие молекул-посредников, вероятно, они делают это с определённой целью.

Нестабильный контроль движения может быть полезен, когда пища scarce. В этом случае задача состоит не столько в реакции на сенсорные сигналы (например, запахи), сколько в эффективном исследовании пустого пространства для поиска редких ресурсов. «Темпераментные» бактерии лучше справляются с исследованием больших безликих областей, потому что их изменчивость помогает избежать возвращения на то же место.

«Значительные различия в степени «переменчивости» бактерий могут означать, что некоторые бактерии действуют как разведчики, исследующие удалённые территории для случайной, но большой выгоды, в то время как другие остаются поблизости и эффективно используют локальные ресурсы. Такое разделение труда может быть полезно для популяции в целом», — отмечает Кегстра.

Новые данные о шуме в биохимических сетях создают биотехнологические возможности, помогая инженерам создавать системы (например, бактерии, производящие инсулин), которые либо более устойчивы к шуму, либо оптимально его используют. Результаты о более стабильных различиях («личности») в поведении бактерий также могут повлиять на медицинские стратегии борьбы с патогенными бактериями без вреда для полезных.