Больше, чем кажется: в E. coli обнаружены признаки многоклеточности
Исследователи из Уоллеса Х. Коултера в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори обнаружили нечто новое в одном из самых изученных организмов на Земле. Их открытия могут повлиять на лечение и профилактику опасных бактериальных заболеваний.
Escherichia coli, или E. coli, имеет плохую репутацию, и не без оснований. Большинство этих бактерий в нашем кишечнике безвредны и важны для здоровой пищеварительной системы. Но некоторые штаммы E. coli — одни из самых вирулентных болезнетворных микроорганизмов.
Патогенная E. coli наносит огромный ущерб, ежегодно обходясь в миллиарды долларов на лечение и унося миллионы жизней по всему миру. Она вызывает диарейные заболевания, перитонит, колит, респираторные болезни, пневмонию и является основной причиной 80% инфекций мочевыводящих путей — самых распространенных бактериальных инфекций.
Исследователи изучают E. coli уже около века со всех сторон. Многие считают, что нового узнать уже почти нечего.
"Это, вероятно, самый изученный и понятный организм на планете", — сказал Кайл Эллисон, доцент кафедры Коултера. — "Поэтому в последние 20 лет микробиологи чаще сосредотачиваются на других микробах".
Однако Эллисон и его коллеги присмотрелись к E. coli повнимательнее. Их исследование, опубликованное в журнале iScience под названием "Evidence of a possible multicellular life cycle in Escherichia coli", дает новые представления об этом распространенном одноклеточном организме. Оказывается, E. coli может быть не всегда одноклеточной.
"Мы определили некоторые вещи, которые никогда раньше не наблюдались у бактерий", — сказал Эллисон.
Сообщества микробов
В природе бактерии живут в сообществах — биопленках. Это скопления микробов, заключенные в самодельную слизевую матрицу и прикрепленные к влажным поверхностям. Они повсюду: зубной налет, тина в пруду. Биопленки могут расти на тканях растений и животных, вызывая серьезные инфекции. Бактерии внутри защитной матрицы биопленки менее восприимчивы к антибиотикам.
"Мы знаем, что биопленки клинически важны, особенно в связи с инфекциями", — отметил Эллисон. — "Примерно 80% всех бактериальных инфекций имеют биопленочный компонент".
Для этого исследования команда Эллисона разработала устройства, сочетающие микрофлюидику и агарозные подушки (для визуализации живых клеток), и использовала автоматизированную микроскопию для отслеживания морфогенеза E. coli.
Они обнаружили новый многоклеточный процесс самоорганизации в E. coli. Исследователи наблюдали, как отдельные одноклеточные организмы объединяются в четырехклеточные розетки — естественное многоклеточное образование, считавшееся необычным для бактерий.
"Розетки довольно значимы для высших организмов, например, млекопитающих, потому что они инициируют процессы развития, такие как эмбриогенез", — сказал Эллисон.
Многоклеточные цепочки
Они наблюдали, как розетки E. coli вырастают в цепочки постоянной ширины, которые продолжают расти в течение 10 поколений, прежде чем прикрепиться к поверхности и создать биопленку. Они увидели и записали бактериальные процессы, которые никогда раньше не наблюдались.
"То, что мы видим здесь, говорит, что бактерии, возможно, не такие, какими мы считали их в прошлом", — сказал Эллисон. — "Я подозреваю, что то, что мы нашли, встречается гораздо чаще, чем мы знали".
Полученные знания о разнообразии E. coli и биопленок имеют значение для синтетической биологии, лечения и профилактики бактериальных заболеваний, а также для понимания многоклеточного развития.
Например, это исследование может служить планом для других областей науки, таких как инженерия биопленок, которая использует полезные свойства микробных сообществ для создания программируемых биопленок.
"Основываясь на том, что мы узнали, вероятно, самый эффективный подход к инженерии биопленок — позволить организмам делать то, что они хотят делать", — сказал Эллисон. — "Затем, на последнем этапе, идея состоит в том, чтобы запрограммировать их на выполнение нужной задачи — создание молекулы для разработки лекарств, экспрессию фермента для разложения биопластика или чего-то вредного в окружающей среде. Наша работа дает четкие доказательства того, как действовать".