Простейшая бактерия изучена на клеточном уровне

Даже простейшая клетка оказалась гораздо сложнее, чем предполагали исследователи. В серии из трёх статей в журнале Science учёные, включая Веру ван Норт из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, впервые представили полную картину отдельной клетки. Исследование дало важные новые представления для бактериальной биологии. Например, прокариоты — клеточные организмы без клеточного ядра — оказались более похожими на эукариот, чем считалось ранее. Без таких фундаментальных знаний о работе отдельных клеток невозможно понять биологию на мельчайших уровнях.

Исследователи взяли в качестве модели Mycoplasma pneumoniae — небольшую бактерию, состоящую из одной клетки. У людей она вызывает атипичную пневмонию. Это один из самых маленьких прокариот, способных размножаться без использования клеточного механизма хозяина.

Ван Норт и её коллеги уникальным образом изучили функцию клетки на разных уровнях. Эти уровни ранее изучались отдельно, но теперь были впервые объединены. Изучение биологических систем таким образом — как целого — лежит в основе системной биологии. Эта дисциплина задаётся вопросами, например, о молекулярной анатомии клетки, чтобы досконально понять функционирование организма в целом.

Бактерия оказалась устроена гораздо сложнее, чем предполагалось. Исследователи изучили протеом (концентрацию определённых белков в клетке) и метаболом (концентрацию веществ, которые обеспечивают работу белков). На этих двух разных уровнях многие молекулы оказались многофункциональными. Например, метаболические ферменты катализировали несколько несвязанных реакций, а белки в протеоме часто были активны более чем в одном белковом комплексе. Бактерия физически соединяла белковые комплексы, ответственные за клеточный механизм двух последовательных шагов в биологическом процессе.

Примечательно, что регуляция транскриптома — совокупности РНК, занимающейся копированием генетической информации, хранящейся в ДНК, — оказалась гораздо более похожей на таковую у эукариот, чем считалось ранее. Большая часть транскриптов, произведённых из ДНК бактерии, так же как и у эукариот, не превращалась в белки. Прокариоты включают простые формы жизни, такие как бактерии, тогда как эукариоты — высшие организмы, такие как растения и млекопитающие. Именно поэтому исследователи выбрали эту бактерию: достаточно сложную, чтобы выживать самостоятельно, но всё ещё достаточно маленькую и простую, чтобы служить подходящей моделью отдельной клетки.

Ещё один удивительный результат исследования — несмотря на очень маленький геном, бактерия чрезвычайно гибка: она адаптирует свой метаболизм к серьёзным изменениям в окружающей среде. Она может быстро приспосабливаться к доступным источникам пищи и факторам стресса, как и более сложные эукариоты.

Разные исследовательские группы изучили клетку на трёх уровнях:

• Одна команда описала транскриптом бактерии и идентифицировала все молекулы РНК (транскрипты), произведённые из ДНК в разных условиях. ДНК в конечном счёте поставляет белки через РНК.
• Другая команда определила все метаболические реакции в клетке, то есть метаболом.
• Третья команда идентифицировала каждый мультибелковый комплекс, производимый бактерией, и таким образом определила протеом.