Бактерии используют «переговоры» для игры в «Дилемму заключённого» при выборе своей судьбы
Учёные сообщили, что бактерии — а возможно, и человеческие клетки — используют крайне сложную версию «теории игр», чтобы оценить свои варианты и выбрать наилучший курс действий в ситуациях «жизни или смерти». На 243-м Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS) было заявлено, что микробы «играют» в версию классической «Дилеммы заключённого».
По словам руководителя исследовательской группы Хосе Онучика, доктора философии, эти и другие новые данные о «чатах» бактерий — обмене информацией о клеточном стрессе, плотности колонии (кворум-сенсинг пептиды) и статусе стресса соседних клеток (пептидные феромоны) — могут иметь далеко идущие медицинские применения.
«Используя эту форму межклеточной коммуникации, колонии из миллиардов или триллионов бактерий могут буквально достичь консенсуса по действиям, которые влияют на людей, — объяснил Онучик. — Например, бактерии, которые ранее безвредно существовали на коже, могут обмениваться химическими сигналами и прийти к выводу, что их количество достаточно для начала инфекции. Точно так же бактерии могут решить объединиться в сообщества, называемые биоплёнками, которые делают многие хронические заболевания трудноизлечимыми — например, инфекции мочевыводящих путей, муковисцидоз и эндокардит».
Учёные также обнаружили намёки на то, что человеческие клетки участвуют в другой форме химического «общения», которое может привести к решению начать неконтролируемое деление и рост, определяющие рак. Аналогично, клетки злокачественной опухоли могут «общаться» и распространяться (метастазировать) из первоначального местоположения, чтобы образовать новую опухоль в печени, лёгких или мозге.
«Понимание того, как клетки принимают решения, позволит учёным контролировать эти решения, — сказал Онучик из Университета Райса. — Это открыло бы путь к разработке более эффективных лекарств с меньшими побочными эффектами. Например, мы могли бы блокировать конкретные химические сообщения, которые сигнализируют опухоли о росте, создавая лекарство, не влияющее на другие процессы в организме».
Прежде чем изучать путь человеческой клетки к раку, Онучик и его коллеги из Университета Райса и Тель-Авивского университета исследуют бактерии. Они обратились к Bacillus subtilis — обычной почвенной бактерии, образующей колонии в миллиарды особей. Столкнувшись с засухой, радиацией, перенаселением или другими суровыми условиями, B. subtilis использует кворум-сенсинг: отдельные микробы выделяют химические соединения, чтобы оценить, как их соседи реагируют на неблагоприятную среду.
Члены колонии B. subtilis могут выбрать один из двух путей ответа на стресс:
При споруляции бактерии выбрасывают половину своей ДНК в окружающую среду и заключают себя в толстую, похожую на броню оболочку, позволяющую микробу выдерживать суровые условия десятилетиями. Этот процесс затрагивает более 500 генов и может занимать около 10 часов. Когда условия улучшаются, спора снова превращается в обычную бактерию. Большинство бактерий в плохих условиях становятся спорами.
Но некоторые — около 1–2% в дикой природе — «видят», что их соседи становятся спорами, и решают стать компетентными. При этом они поглощают часть выброшенной ДНК соседей в последней попытке адаптироваться к суровой среде.
«Споруляция — это радикальный, травмирующий процесс, — сказал Онучик. — Преимущество компетентности в том, что клетка может адаптироваться и жить нормально, не подвергаясь такому резкому потрясению. Но компетентность рискованна — если условия не улучшатся достаточно быстро, компетентная клетка может умереть, не успев стать спорой. Кроме того, споры могут выйти из спячки и начать конкурировать за ресурсы. Это сложное решение».
Исследование Онучика показывает, что способ принятия решений клетками соответствует теории игр — концепции, используемой в математике для анализа конфликта и сотрудничества.
Споруляция подобна сотрудничеству или признанию в «Дилемме заключённого». Становление компетентным — это эгоистичное решение, эксплуатирующее неудачи других.
«Как и в классической игре «Дилемма заключённого», бактерии должны взвесить все «за» и «против» своих решений, — сказал Онучик. — Бактерия принимает решение не только на основе информации о собственном стрессе и среде, но также должна думать о том, что могут сделать другие бактерии. Так что это похоже на «Дилемму заключённого», в которую играет 1 триллион клеток в колонии, а не два человека».
Используя математику, биологию и физику, команда Онучика определила белки, гены и другие вещества, участвующие в принятии таких решений у B. subtilis, и то, как они взаимодействуют друг с другом. Теперь команда нацелена на выяснение, проходят ли человеческие клетки через аналогичные процессы принятия решений в здоровье и болезни.