Соседи решают, какая бактерия умрёт первой

Бактерии не просто случайно гибнут в условиях голода — на это влияют и окружающие клетки. Исследователи из Мюнхенского технического университета (TUM) обнаружили, что два фактора в первую очередь определяют жизнь и смерть: энергия, необходимая для поддержания жизни, и эффективность, с которой выжившие клетки могут перерабатывать биомассу погибших.

Команда под руководством Ульриха Герланда смогла определить два ключевых фактора выживания бактерии: базовое энергопотребление клетки и количество энергии, которое выжившие клетки могут получить от одной погибшей соседки, что измеряет эффективность рециклинга биомассы.

Питательные вещества из погибших соседей

Учёные смоделировали стрессовую ситуацию для клеток бактерии Escherichia coli, лишив их сахара и других углеводов. У бактерий не было ни энергии, ни строительных материалов.

Когда первые клетки погибали, выжившие пытались получить питательные вещества из окружающих клеточных «трупов». Чем выше был энергетический оборот определённого фермента, тем выше была скорость гибели. Чем больше они могли переработать из мёртвых клеток, тем выше была выживаемость.

«Наши результаты впервые позволяют количественно определить вклад отдельных молекулярных компонентов в выживание бактериальных клеток», — говорит Герланд.

Гибель клеток как коллективное явление

В целом наблюдалось экспоненциальное уменьшение числа выживших клеток со временем. В принципе, такое развитие можно объяснить случайной гибелью отдельных клеток, подобно радиоактивному распаду, который также имеет экспоненциальную кинетику.

Однако взаимосвязи оказались сложнее, как выяснили исследователи, изменяя условия эксперимента. Гибель в бактериальных колониях — это коллективное явление. Окружающие бактериальные клетки совместно определяют, погибнет ли клетка в их среде или выживет.

Математический анализ выживания

Изменения скорости смертности могут возникать из-за множества генетических или экологических возмущений, влияющих на выживаемость бактерий. Баланс, который возникает, поэтому различен для каждой бактерии и каждого состояния окружающей среды.

Чтобы понять динамику, исследователи смоделировали всю систему выживших бактерий математически. Затем они использовали эту взаимосвязь для определения молекулярного вклада в выживание клеток.

В зависимости от типа клетки можно определить важные молекулярные факторы выживания, что облегчает поиск ферментов или других белков, определяющих скорость выживания.

«Наша цель — систематически и количественно понять, как бактериям удаётся выживать в столь многих условиях окружающей среды, — говорит Герланд. — Это поиск физиологии выживания».