Генетически идентичные бактерии могут вести себя совершенно по-разному
Хотя популяция бактерий может быть генетически идентичной, отдельные бактерии внутри этой популяции могут действовать совершенно по-разному. Это явление имеет решающее значение для выживания бактерий. Чем больше разнообразия в популяции, тем выше вероятность, что в ней окажутся особи, способные воспользоваться новой возможностью или преодолеть новую угрозу, включая угрозу, создаваемую антибиотиком.
В недавнем исследовании учёные из Вашингтонского университета показали, что при делении бактериальной клетки на две дочерние может происходить неравномерное распределение клеточных органелл. Получившиеся клетки могут вести себя по-разному в зависимости от того, какие части они получили при разделе.
«Это ещё один способ, которым клетки внутри популяции могут диверсифицироваться. Здесь мы показали это на бактерии, но, вероятно, это верно для всех клеток, включая человеческие», — заявил старший автор статьи, профессор микробиологии, наук о геноме и медицины UW доктор Сэмюэл Миллер.
В более ранней работе, опубликованной в журнале Science в 2010 году, Миллер и его коллеги показали, что при делении бактерий концентрация важной регуляторной молекулы — циклического дигуанозинмонофосфата (c-di-GMP) — распределялась между двумя потомками неравномерно. c-di-GMP является молекулой вторичного мессенджера.
Молекулы вторичных мессенджеров передают сигналы от сенсоров или рецепторов на внешней мембране клетки к мишеням внутри клетки, где они могут быстро изменять множество клеточных функций, таких как метаболизм и подвижность. Способность быстро реагировать на внешние стимулы важна для выживания бактерий.
«Эффект вторичных мессенджеров почти мгновенный, — сказал Миллер. — Они позволяют бактериям менять своё поведение за секунды».
Чтобы обнаружить разницу в уровнях c-di-GMP между клетками, исследователи использовали технику микроскопии FRET (Förster resonance energy transfer). Это позволило им измерять наномолярные изменения концентрации c-di-GMP внутри отдельных бактерий в режиме реального времени.
Разные концентрации c-di-GMP могут оказывать глубокое влияние на поведение клетки. Например, у бактерии Pseudomonas aeruginosa клетки с высоким уровнем c-di-GMP, как правило, остаются неподвижными, прилипают к поверхностям и образуют колонии. Те же, у которых уровень низкий, как правило, активно плавают, используя пропеллер в форме штопора, расположенный на одном конце бактерии.
В новом исследовании, опубликованном в онлайн-журнале eLife, Миллер и его коллеги выяснили молекулярный механизм, лежащий в основе различия концентраций c-di-GMP между дочерними клетками.
Когда клетки Pseudomonas делятся, они перешнуровываются пополам, создавая две дочерние клетки. Хотя клетки генетически идентичны, только одна дочерняя клетка может унаследовать единственный пропеллер бактерии. Другая клетка может синтезировать свой собственный пропеллер, но сразу после деления две клетки совершенно разные.
Миллер и его сотрудники сообщают, что дочерняя клетка, которая наследует пропеллер, также наследует тесно связанный с ним фермент, который расщепляет c-di-GMP, а также органеллу, участвующую в направлении движения к стимулам или от них, которая активирует этот фермент.
Вместе эти две органеллы работают согласованно, чтобы снизить концентрацию c-di-GMP и контролировать плавание.
«Мы показали, что неравномерное наследование органелл — это ещё один способ, с помощью которого клетки могут создавать разнообразие и увеличивать шансы на выживание своего вида», — сказал Миллер.
Он добавил, что результаты его команды могут помочь объяснить, как бактерии сопротивляются лечению антибиотиками, всегда имея в своих популяциях некоторые клетки в медленно растущем, покоящемся состоянии. Поскольку антибиотики нацелены на быстрорастущие клетки, эти покоящиеся клетки с большей вероятностью выживут после лечения. Результаты также могут помочь объяснить, как некоторым бактериям удаётся прилипать к поверхностям и колонизировать их, таким как мочевые катетеры, внутривенные линии и сердечные клапаны.
В текущих исследованиях команда Миллера пытается лучше понять сигналы, которые могут очень быстро изменять концентрации вторичных мессенджеров, и проводит скрининг соединений, которые могли бы мешать или изменять эти сигналы. Такие соединения можно было бы использовать, например, для борьбы с лекарственной устойчивостью или для подавления способности бактерии прилипать к поверхностям и образовывать похожие на слизь колонии, называемые биоплёнками, которые обладают высокой устойчивостью к антибиотикам.