Расшифровка бактериальных решений на грани: исследование показывает, что бактерии откладывают финальное решение о выживании
Подобно домовладельцу, готовящемуся к урагану, бактерия Bacillus subtilis использует длинный контрольный список для подготовки к выживанию в трудные времена. В новом исследовании учёные из Университета Райса и Хьюстонского университета обнаружили сложный механизм, который позволяет B. subtilis начать подготовку к выживанию, даже откладывая окончательное решение — «затаиться» и превратиться в устойчивую спору.
Новое исследование, проведённое специалистами по вычислительной биологии из Райса и экспериментальными биологами из Хьюстонского университета, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Программа экспрессии генов, которую B. subtilis использует для образования спор, включает сотни генов, — сказал Олег Игошин, ведущий учёный исследования и профессор биоинженерии в Университете Райса. — Многие из этих генов известны и изучаются десятилетиями, но точный механизм, который B. subtilis использует для принятия решения о формировании споры, оставался загадкой».
B. subtilis — обычная почвенная бактерия, которая образует спору, когда заканчивается пища. Формирование споры включает драматические изменения. Клетка сначала асимметрично делится внутри своей внешней оболочки, образуя одну большую и одну маленькую камеру. По мере прогрессирования спорообразования одна камера обволакивает другую, которая становится хранилищем ДНК организма и небольшого набора белков, способных «перезагрузить» организм, когда он почувствует, что внешние условия улучшились.
B. subtilis безвредна для человека, но некоторые опасные бактерии, такие как сибирская язва, также образуют споры. Учёные стремятся лучше понять этот процесс как для защиты общественного здоровья, так и для изучения эволюции сложных генетических процессов.
Во время спорообразования известно, что бактерия направляет свою энергию на производство белков, которые помогают подготовить клетку к превращению в спору. Многие из этих споробразующих белков требуются в определённом последовательном порядке, а некоторые являются «главными регуляторами» — белками, которые инициируют и контролируют целые подпрограммы процесса спорообразования.
«Споруляция — это сложный и загадочный процесс, — сказал Игошин. — Например, одни клетки решают стать спорами, а другие — нет, даже если они находятся в одинаковых условиях. Ещё более интригующим является тот факт, что некоторые клетки начинают процесс превращения в споры, только чтобы развернуться и вернуться к нормальному поведению».
Чтобы расшифровать, как B. subtilis решает образовать спору, Игошин и аспирант Райса Джатин Нарула создали набор сложных компьютерных моделей, воссоздающих генетический контроль организма. Результаты компьютерной модели сравнивались и уточнялись на основе экспериментальных наблюдений Масаи Фудзиты и Серам Деви из Хьюстонского университета.
«Главный регулятор Spo0A отвечает за запуск процесса образования спор, и наша первоначальная гипотеза заключалась в том, что именно он является ключевым игроком в принятии решения стать спорой, — сказал Игошин. — Мы обнаружили, что процесс принятия решений оказался значительно более сложным».
Обработка сигналов у бактерий осложнена тем, что объём информации, которую их сеть может получать и обрабатывать, связан с количеством молекул внутри клеток. Крошечный размер бактериальной клетки приводит к очень «шумным» сигналам. Проблема аналогична задаче, с которой столкнулся бы социолог, пытаясь предсказать исход национальных выборов на основе опроса всего 50 избирателей.
«Это проблема статистической выборки, — сказал Игошин. — Из-за малого размера бактериальной клетки гены главных регуляторов должны бороться с очень зашумлёнными сигналами. Один из способов преодолеть проблему — усреднять сигналы в течение длительного времени. Мы исследовали, делает ли так B. subtilis при принятии решения о формировании споры, но обнаружили, что если клетка будет ждать чёткого сигнала, она может не завершить сложную программу спорообразования до своей гибели».
Вместо этого клетка запускает процесс спорообразования и начинает подготовку, продолжая при этом статистический анализ сигналов. Авторы статьи обнаружили, что ключом к этому процессу является серия вложенных «прямых» (feedforward) петель — сетевых мотивов, в которых один главный регулятор контролирует другой, напрямую регулируя его количество и косвенно регулируя его активность.
«Клетки имеют гениальную стратегию, которая позволяет им передумать и обрабатывать информацию, пока они выполняют программу, — сказал Нарула. — Эта стратегия позволяет им принять точное решение, не откладывая его только для усреднения зашумлённых сигналов».