Биологи обнаружили, что бактерии общаются подобно нейронам в мозге

Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что бактерии, которых часто считают примитивными одиночными организмами, на самом деле обладают сложными социальными взаимодействиями и общаются друг с другом с помощью электрических сигнальных механизмов, аналогичных тем, что используют нейроны человеческого мозга.

В исследовании, опубликованном в онлайн-версии журнала Nature, учёные детально описали, как бактерии в сообществах общаются друг с другом электрически с помощью белков, называемых «ионными каналами».

«Наше открытие меняет не только представление о бактериях, но и о нашем мозге», — заявил Гюроль Сюэль, доцент молекулярной биологии, руководивший проектом. — «Все наши чувства, поведение и интеллект возникают из электрической коммуникации между нейронами в мозге, опосредованной ионными каналами. Теперь мы обнаружили, что бактерии используют похожие ионные каналы для общения и разрешения метаболического стресса. Это говорит о том, что неврологические расстройства, вызванные метаболическим стрессом, могут иметь древние бактериальные корни».

Интерес к изучению дальнодействующих сигналов возник после предыдущей работы, опубликованной в июле в Nature. Она показала, что биоплёнки (организованные сообщества из миллионов плотно упакованных бактериальных клеток) способны разрешать социальные конфликты внутри своего сообщества.

Когда биоплёнка из сотен тысяч клеток Bacillus subtilis достигает определённого размера, клетки на периферии, имеющие неограниченный доступ к питательным веществам, периодически прекращают рост. Это позволяет питательным веществам — в частности, глутамату (электрически заряженной молекуле) — поступать в защищённый центр биоплёнки, поддерживая жизнь бактерий внутри и повышая устойчивость к антибиотикам.

Осознав, что для таких колебаний роста требуется координация между периферией и центром, и учитывая конкуренцию за глутамат, исследователи предположили наличие электрохимической коммуникации. Глутамат также ответственен примерно за половину всей активности человеческого мозга.

Эксперименты подтвердили гипотезу. Учёные зафиксировали колебания мембранного потенциала бактериальных клеток, которые совпадали с колебаниями роста биоплёнки, и установили, что за эти изменения ответственны ионные каналы.

Дальнейшие опыты показали, что сигналы передаются внутри биоплёнки посредством пространственно распространяющихся волн ионов калия (K⁺). Эти волны координируют метаболическую активность бактерий во внутренних и внешних регионах сообщества. Когда ген ионного канала, пропускающего калий, удалили, биоплёнка потеряла способность проводить электрические сигналы.

«Так же, как и нейроны в нашем мозге, бактерии используют ионные каналы для общения друг с другом с помощью электрических сигналов», — сказал Сюэль. — «Таким образом, сообщество бактерий в биоплёнке функционирует подобно "микробному мозгу"».

Механизм коммуникации у бактерий удивительно похож на процесс в человеческом мозге, известный как «кортикальная распространяющаяся депрессия», которая связывается с мигренями и эпилептическими припадками.

«Интересно, что и мигрени, и электрическая сигнализация у бактерий, которую мы обнаружили, запускаются метаболическим стрессом», — отметил Сюэль. — «Это предполагает, что многие препараты, изначально разработанные для лечения эпилепсии и мигреней, могут также быть эффективны против бактериальных биоплёнок, ставших глобальной проблемой из-за их устойчивости к антибиотикам».