Изучение E. coli показывает, как взаимовыгодные отношения и кооперативное поведение формируют виды

Бактерии, подобно людям, могут потреблять больше ресурсов, чем необходимо. Когда это происходит, синтезированные побочные продукты могут попадать в окружающую среду, что позволяет другим близлежащим бактериям эволюционировать в сторону кооперативного поведения — например, использовать эти побочные продукты в качестве питательных веществ. Также наблюдалось, что кооперация в бактериальных сообществах способствует таким формам поведения, как изменение окружающей среды или формирование новых структур, например, биопленок.

«Производство собственных ресурсов требует энергии. Бактерии могут эволюционировать, чтобы полагаться друг на друга — и также экономить энергию — через мутации, которые приводят к потере определенных метаболических процессов, которые могут быть восполнены за счет использования этих теперь общедоступных благ», — сказала Меган Берингер, доцент кафедры биологических наук.

Берингер, также член Инициативы по эволюционным исследованиям, опубликовала исследование «Complex Ecotype Dynamics Evolve in Response to Fluctuating Resources» в журнале mBio 16 мая. Исследование изучает эффекты циклов «пира и голода» в группах кишечных бактерий E. coli. Работа была совместным проектом лаборатории Берингер и Вэй-Чин Хо, постдокторанта из Университета штата Аризона.

Берингер и Хо решили проверить эту кооперацию у E. coli в условиях пира и голода. Они поместили бактерии в питательный бульон. Через 10 дней бактерии переносили в свежий бульон. Бактерии использовали большую часть ресурсов нового бульона примерно за один день.

«E. coli растут очень быстро и могут исчерпать предпочитаемые питательные вещества за день, поэтому если мы переносим клетки каждые 10 дней, как в этом эксперименте, они проведут следующие девять дней в поисках питательных веществ — включая каннибализм по отношению к другим E. coli, которые не выживают в суровых условиях с ограниченными ресурсами», — сказала Берингер. «Это жестоко, потому что для нас, исследователей, кажется, что мы просто перемешиваем пробирки каждые 10 дней, но бактерии участвуют в "Голодных играх"».

Каждые 100 дней в течение 900 дней в общей сложности Берингер и Хо секвенировали геномы бактерий. После девяти временных точек секвенирования исследователи подтвердили, что хотя бактерии начали как группа высокосходных особей, они быстро эволюционировали в два специализированных типа, или экотипа. Один экотип тратил энергию на добычу железа из окружающей среды, но не вкладывал много энергии в производство жирных кислот. Другой экотип не добывал железо эффективно, но хорошо производил жирные кислоты.

Хотя мы знаем, что кооперативные взаимодействия происходят в нашем кишечнике и в дикой природе, мы меньше знаем о том, как они возникают. На сегодняшний день большая часть исследований перекрестного питания в лаборатории была сосредоточена на микроорганизмах, которые были сконструированы для кооперации, или там, где взаимодействие эволюционировало в лаборатории, но оно является односторонним (A кормит B, но B не кормит A), сказала Берингер. В этом исследовании мы обнаружили, что благодаря повторяющимся циклам пира и голода бактерии могут эволюционировать к тому, что выглядит как двунаправленное перекрестное питание (A кормит B, и B кормит A).

Это захватывающе, потому что до сих пор эволюция с трудом объясняла этот тип эффективной кооперации. Пир и голод — очень естественные колебания для бактерий. Даже в нашем кишечнике — среде, считающейся богатой питательными веществами — бактерии все еще могут быть ограничены в определенных ресурсах, таких как азот. Результаты исследования показывают, что эта динамика пира и голода может создавать условия для эволюции кооперативного поведения перекрестного питания у бактерий и дают представление о том, как бактериальные сообщества, обитающие в нашем кишечнике, с нашими сельскохозяйственными культурами, в озерах и ручьях и за их пределами, становятся такими сложными.

«Наши результаты [показывают, что] взаимовыгодное поведение и популяционные структуры могут возникать даже внутри одного вида», — сказал Хо. «Результаты нашего эксперимента послужат хорошей моделью для эволюционного изучения мутуализма». В биологии мутуализм признает взаимодействие по крайней мере двух видов, где каждый вносит вклад в общую пользу для взаимодействующих видов.

«Мы также предположили, что бактерии эволюционировали, чтобы стать более эффективными, разделяя бремя выполнения этих функций, что было бы полезно в условиях голода», — сказала Берингер. «Бактерии в природе часто сталкиваются с циклами пира и голода. Эволюция, которую мы наблюдали в этом лабораторном эксперименте, может быть похожа на то, как эти кооперативные формы поведения эволюционируют в диких микробных популяциях».

Следующий шаг — исследовать это поведение в более мелком масштабе. Группа знает, что происходит каждые 100 дней, и у них есть замороженные бактерии с каждого 30-го дня эксперимента, что дает окно в то, что происходит до того, как бактерии эволюционируют в два различных экотипа. Они также планируют искать «обманщиков» — организмы, которые используют побочные продукты других бактерий, но сами не производят никаких.