Бактерии привлекают другие виды с помощью дальнодействующих электрических сигналов

Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, ранее обнаружившие, что бактерии разрешают социальные конфликты в своих сообществах и общаются друг с другом подобно нейронам в мозге, открыли ещё одну черту, сходную с человеческой, у этих, казалось бы, не таких уж простых одноклеточных существ.

Бактерии, живущие в разнообразных сообществах, называемых «биоплёнками», создают нечто вроде электронной рекламы. Как сообщают учёные в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Cell, они посылают дальнодействующие электрические сигналы другим видам бактерий, что может привести к привлечению новых членов в их сообщество биоплёнки.

«Мы обнаружили, что сообщества бактериальных биоплёнок могут активно модулировать подвижное поведение различных видов бактерий с помощью электрических сигналов», — сказал Гюроль Сюэль, профессор молекулярной биологии, заместитель директора Сан-Диегского центра системной биологии и научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза — Саймонса в Калифорнийском университете в Сан-Диего, возглавлявший исследование. — Таким образом, бактерии внутри биоплёнок могут осуществлять дальнодействующий и динамический контроль над поведением удалённых клеток, не входящих в их сообщества».

Биоплёнки — это сообщества бактерий и других микроорганизмов, образующие тонкие структуры на поверхностях (например, зубной камень), которые обладают высокой устойчивостью к химическим веществам и антибиотикам. Поскольку о том, как они формируются, привлекают другие микроорганизмы и сопротивляются атакам, известно не так много, такая информация об их поведении имеет практическое применение — от предотвращения образования зубного камня до избежания стафилококковых инфекций в больницах.

Но идея о том, что бактерии, укрывшиеся в своих защищённых «деревнях»-биоплёнках, ведут себя как изощрённые маркетологи — рекламируя присутствие своих сообществ с помощью электронных посланий, — опровергает фундаментальные представления как учёных, так и широкой публики об этих, предположительно, примитивных существах.

«Наше исследование показывает, что бактерии, живущие в сообществах биоплёнок, делают нечто похожее на отправку электронных сообщений друзьям», — сказала Жаклин Хамфрис, аспирант лаборатории Сюэля и первый автор статьи. — Фактически, обнаруженный нами механизм является общим. Мы обнаружили, что бактерии одного вида могут посылать дальнодействующие электрические сигналы, которые приведут к привлечению новых членов другого вида. В результате мы определили новый механизм и парадигму для межвидовой сигнализации».

Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили в своей лабораторной работе, которая объединила эксперименты с математическим моделированием, что биоплёнка, состоящая из одного вида бактерий Bacillus subtilis, способна привлекать бактерии другого вида — в данном случае Pseudomonas aeruginosa — с помощью электрической сигнализации.

Используя микрофлюидные ростовые камеры, биологи задокументировали процесс, с помощью которого электрическая сигнализация ионами калия, генерируемая биоплёнками B. subtilis, привлекала удалённые клетки внутри камер к краю электрически осциллирующих биоплёнок.

Летом 2015 года Сюэль и его команда аспирантов и постдоков обнаружили, что колебания внутри сообществ биоплёнок разрешают социальный конфликт между отдельными клетками, которые сотрудничали, но также должны были конкурировать за пищу.

Бактерии на внешнем краю биоплёнки находятся ближе всего к питательным веществам, необходимым для роста, и могут лишить пищи защищённые внутренние клетки. Но учёные обнаружили, что осциллирующие биоплёнки развивают так называемую «метаболическую взаимозависимость», периодически притормаживая рост внешних клеток, чтобы дать внутренним клеткам доступ к питательным веществам.

Вскоре после этого Сюэль и его команда обнаружили, что бактерии, живущие в сообществах биоплёнок, общаются друг с другом электронным способом с помощью белков, называемых «ионными каналами», — метода электрической сигнализации, аналогичного тому, который используют нейроны в человеческом мозге.

Их самое последнее открытие — о том, что бактерии в биоплёнках могут привлекать другие виды с помощью дальнодействующих электрических сигналов — может оказаться не только самым удивительным из находок команды, но, возможно, и наиболее значимым для нашего понимания того, как бактерии влияют на здоровье человека.

«Наше последнее открытие предполагает, что состав смешанных видов бактериальных сообществ, таких как наш кишечный микробиом, может регулироваться с помощью электрической сигнализации», — сказал Сюэль. — Вполне возможно, что бактериальные и человеческие клетки кишечника могут взаимодействовать электрически внутри человеческого кишечника. Наша работа в будущем может даже привести к новым биомедицинским подходам на основе электричества для контроля поведения и сообществ бактерий».