Стратегии добычи железа у природных популяций бактериопланктона

Микробы, как и почти вся жизнь, нуждаются в железе, но некоторые живут в средах с его дефицитом. Их решение — секреция сидерофоров: небольших хелатирующих соединений с высоким сродством, которые извлекают плохо растворимый ион Fe³⁺ из окружающей среды. Клетки затем усваивают его с помощью активного транспорта.

В экономическом контексте железосодержащие сидерофоры можно рассматривать как общественное благо, поддерживающее диверсификацию бактериальных популяций. Исторически было неясно, могут ли дикие микробные сообщества быть достаточно стабильными для того, чтобы эволюционная диверсификация зависела от социального взаимодействия между ними.

Учёные из Массачусетского технологического института показали, что теория игр даёт математические предсказания, согласующиеся с наблюдениями. Группы морских бактерий Vibrionaceae, не производящие сидерофоры, сохранили способность к их транспорту и чаще ассоциировались с популяциями-производителями. Исследователи предполагают, что «не-производители» эволюционировали стратегию «читерства», в которой обе группы стали взаимозависимыми.

Изучение диких популяций — ключевая задача

Социальные взаимодействия микробов, опосредованные общественными благами вроде сидерофоров, ранее изучались в лабораторных системах (например, E. coli), но почти ничего не было известно о природных популяциях бактерий. Дикие популяции сильно отличаются от клоновых лабораторных культур: они крайне гетерогенны, с различиями в размере генома до 20%.

Основная сложность работы — отследить взаимодействия между клетками в их родной морской среде. Учёным пришлось изучить более 1000 особей из природной популяции бактерий Vibrio, зная их точное микроокружение, чтобы рассчитать статистические ассоциации генотипов со специфическими микросредами. Также было необходимо секвенировать геномы более 60 из этих бактерий.

Результаты и механизмы

Собрав данные воедино, исследователи смогли реконструировать картину, согласующуюся с предсказаниями теории игр об общественных благах. Это показывает, что часть генетического разнообразия этих популяций движется динамикой таких «игр».

Ключевой вывод: взаимодействия вокруг общественных благ могут структурировать бактериальные популяции в дикой природе. Это было неочевидно, поскольку для развития таких взаимодействий требуются довольно стабильные отношения между гетерогенными особями, что сомнительно в хорошо перемешанной и разреженной среде океана.

Открытие стало возможным благодаря применению высокопроизводительного скрининга продукции сидерофоров в сочетании с секвенированием геномов и сравнительным геномным анализом. Также был тщательно задокументирован микроокружающий контекст сбора бактерий, что позволило установить связь между социальным «читерством» и морской микросредой.

Динамика «читеров» и «кооператоров»

Исход «игр» (относительное обилие кооператоров и читеров) зависит от динамики популяции:

• Стабильные, плотные популяции склонны благоприятствовать читерам.
• Популяционные флуктуации благоприятствуют кооператорам, потому что производители общественных благ лучше растут во время «бутылочных горлышек» популяции.

Соответственно, бактерии, эволюционировавшие для прикрепления к крупным частицам с плотными сообществами, склонны развивать читерское поведение. Бактерии, эволюционировавшие для эксплуатации временных пятен питательных веществ, склонны производить общественные блага.

Переход от читерского к кооперативному поведению происходит путём приобретения и потери генов. Бактерии могут чрезвычайно быстро менять генетическое содержание, генерируя разнообразие. Таким образом, возникновение социальных ролей из-за взаимодействий вокруг общественных благ сопряжено с генерацией разнообразия в геномах.

Связь с физикой среды и дальнейшие шаги

Исследователи обнаружили корреляцию между частотой социальных читеров и размером частиц, к которым были прикреплены бактерии. Более крупные и плотно заселённые частицы в морской среде имеют более высокую долю читеров и представляют собой «горячие точки» социальных взаимодействий. Это интересная связь между физикой и биологией.

Текущие усилия направлены на проверку этих гипотез in vitro. Работа также показывает важность популяционных процессов и взаимодействий для экологической функции, в отличие от редукционистских моделей, рассматривающих только функции отдельных клонов. Некоторые черты можно понять, только изучая популяции гетерогенных особей.