Баланс между ростом и адаптируемостью определяет успех и эволюцию микробов
Новое исследование, опубликованное в Nature в июле учёными из Гарвардской медицинской школы, ETH Zurich и Калифорнийского университета в Сан-Диего, раскрывает фундаментальный компромисс, определяющий поведение микроорганизмов.
Ключевое открытие: Успех и эволюция микробов в различных экосистемах определяются компромиссом между двумя свойствами: скоростью роста в стабильных условиях и способностью адаптироваться к меняющимся условиям.
- Быстрорастущие бактерии (например, E. coli) испытывали серьёзные трудности при резкой смене среды, переживая длительный лаг-период без роста.
- Те же бактерии, растущие медленно, адаптировались к изменениям быстро.
«Бактерии не могут одновременно преуспевать в быстром росте и в быстром переключении между условиями при внезапном изменении среды», — пояснил ведущий автор Маркус Басан.
Универсальность явления: Этот компромисс сохраняется у E. coli в десятках различных условий (разные питательные вещества, меняющаяся среда) и наблюдается у разных видов микробов, включая одноклеточные эукариоты, разделённые миллионами лет эволюции. Все случаи описываются одним математическим уравнением.
Метаболические причины: Универсальность компромисса проистекает из фундаментальных метаболических механизмов. Для поддержания высокой скорости роста бактерии накапливают много ферментов, катализирующих реакции в одном направлении (например, расщепление глюкозы с образованием ацетата). При резкой смене питательного источника (например, истощении глюкозы) эти ферменты начинают работать «в неправильном» направлении, сжигая энергию и препятствуя запуску адаптивных реакций.
Последствия и значение:
- Объяснение скоростей роста: Компромисс может объяснять, почему микробы в разных средах растут с разной, часто неожиданно низкой скоростью. Медленный рост может быть стратегией для нестабильных, изменчивых условий.
- Эволюция и экология: «Жёсткие» компромиссы между конкурирующими задачами могли формировать эволюцию микробов и наблюдаемое сегодня разнообразие видов. Такие компромиссы могут способствовать сосуществованию бактерий с разными стратегиями в одной экологической нише.
- Практическое применение: Созданная количественная модель может быть полезна в синтетической биологии и биоинженерии, помогая перейти от метода проб и ошибок к предсказательному проектированию биологических систем. Понимание ограничений центрального метаболизма, общего для многих видов, также может помочь в изучении сложных человеческих заболеваний.