Почему бактерия получила свою кривизну — и почему биологам стоит это знать

Исследователь из Принстонского университета Александр Перса, опираясь на свой инженерный бэкграунд, выдвинул гипотезу о причине изогнутой формы бактерии Caulobacter crescentus. Его догадка, изложенная в статье в журнале Nature Communications, может привести к новому способу изучения эволюции бактерий.

C. crescentus, часто используемая в лабораториях для изучения деления клеток, естественным образом имеет банановидную кривизну. Однако у неё также существует мутация, при которой бактерии вырастают совершенно прямыми. В лабораторных условиях не было очевидной функциональной разницы между двумя формами, что ставило вопрос: зачем природе это нужно?

Перса, постдок в группе доцента молекулярной биологии Земера Гитая, учёл, что в природе эти бактерии обитают большими группами, прикрепляясь к поверхностям в озёрах, прудах и ручьях. Это означает, что кривизна может быть адаптацией, позволяющей C. crescentus лучше развиваться в условиях водных течений.

В новой работе Перса (первый автор), Гитай (автор-корреспондент) и Ховард Стоун сообщают, что кривизна не просто помогает бактериям удерживаться на месте в движущейся жидкости. Исследователи наблюдали за ростом C. crescentus на поверхностях в потоке и обнаружили, что изогнутая анатомия критически важна для процветания группы.

«Мне как человеку с бэкграундом в гидродинамике было очевидно, что эта форма связана с потоком жидкости», — сказал Перса.

Результаты подчёркивают необходимость изучения бактерий в условиях, близких к естественным. Гитай отметил, что 80% генов C. crescentus кажутся бесполезными в лаборатории, но могут быть важны в природе.

«Мы видим, что преимущества бактериальных форм могут проявляться только в среде, близкой к естественной», — сказал Гитай. — «Это исследование открывает целую новую ось для изучения бактерий».

C. crescentus делится асимметрично: «материнская» клетка со стебельком прикрепляется к поверхности, а её верхняя часть образует новую подвижную «бродяжную» клетку. Позже «бродяжные» клетки превращаются в стебельчатые, открепляются и оседают рядом.

Исследователи из Принстона обнаружили, что в движущейся воде кривизна направляет «бродяжную» клетку к поверхности, к которой ей нужно прикрепиться. Это гарантирует, что следующее поколение бактерий не унесёт далеко от предшественников и питательных веществ. В то же время верхние клетки прямых бактерий, находящиеся выше, с большей вероятностью будут унесены течением.

Однако преимущество кривизны имеет пределы. При слишком сильном течении и изогнутые, и прямые бактерии прижимаются к поверхности, что нивелирует преимущество изогнутых клеток в колонизации.

Эти результаты устанавливают границы для понимания C. crescentus, начиная с верхнего предела силы течения, в котором организм может процветать. Гитай и Перса также планируют выяснить, могут ли бактерии выпрямляться и отправлять потомство вниз по течению, когда в домашней колонии истощаются питательные вещества.

Понимание причины кривизны C. crescentus помогает разобраться в эволюции других бактерий. Например, близкие родственники этой бактерии не изогнуты — возможно, это связано с суровостью их среды обитания, например, мощной турбулентностью океана. Патогенные бактерии, такие как Vibrio cholerae (возбудитель холеры), также изогнуты, и причина этого неясна. Возможно, эта форма связана со средой обитания организма таким образом, что это может помочь в лечении инфекций.

«Люди не думали о потоке как о главном драйвере эволюции этой бактерии. Это действительно новая идея», — заключил Гитай.