Бактерии демонстрируют сильную индивидуальность при навигации в лабиринте

Исследователи из ETH Zurich показали, что генетически идентичные клетки проявляют различные реакции в подвижности по направлению к химическим аттрактантам. Средние значения скрывают полную картину при описании поведения бактерий.

Способность клеток целенаправленно двигаться к веществам или избегать их называется хемотаксисом. До сих пор учёные в основном рассматривали хемотаксические свойства бактерий как общую черту вида или популяции. Теперь исследователи наблюдали хемотаксис в поведенческом эксперименте. «Если смотреть с помощью соответствующей технологии, можно обнаружить удивительные поведенческие различия даже внутри популяции генетически идентичных клеток», — сообщают ведущие авторы исследования, опубликованного в Nature Communications.

Микробы в Т-лабиринте

Исследователи разработали специальную микрофлюидную систему, позволяющую наблюдать за движением тысяч отдельных бактерий в жидкости в чрезвычайно малых масштабах. Система представляет собой серию узких каналов, разветвляющихся на тонкой стеклянной пластине, образуя своего рода микроскопический лабиринт.

Их лабиринт напоминает генеалогическое древо, со стартовым каналом, который разветвляется снова и снова по направлению ко дну, где концентрация химического аттрактанта максимальна.

Решения на развилке

Все бактерии стартуют из одного места и видимым образом распределяются внутри системы каналов, вынужденные принимать решение на каждой развилке: плыть вверх или вниз по градиенту аттрактанта.

Даже внутри группы генетически идентичных клеток (клонов) исследователи обнаружили особей, которые хорошо следовали за аттрактантом, и тех, кто хуже справлялся с навигацией по лабиринту. Учёные связывают эти поведенческие различия с вариациями в генетической активности идентичных генов в сестринских клетках. Это означает, что клетки имеют разное количество соответствующих белков. «В каждой клетке присутствует биохимический шум. Как фундаментальная случайная составляющая, он вызывает разнообразие внешнего вида и поведения», — говорят исследователи.

Успешная популяция индивидуалистов

Разнообразие, или гетерогенность, хемотаксиса может давать бактериям эволюционное преимущество. Хотя искусные в хемотаксисе особи могут быстро находить и использовать локально стабильные источники пищи, их сестринские клетки, менее подверженные влиянию аттрактанта, с большей вероятностью отправятся на освоение новой территории, где в постоянно меняющейся среде могут обнаружить дополнительные источники пищи.

«Негенетическое разнообразие давно известно в биомедицинских науках; считается, например, что оно играет роль в устойчивости к антибиотикам. Теперь экологи показали, что это разнообразие также влияет на фундаментальное поведение бактерий, такое как локомоция и хемотаксис, — ещё больше расширяя концепцию бактериальной индивидуальности», — говорит руководитель группы профессор Роман Штокер.

Он полагает, что варьирующее индивидуальное поведение бактерий также может быть важно для лучшего понимания таких процессов, как патогенное заражение кораллов или биоремедиация разливов нефти.