Лучшая жизнь через многоклеточные жизненные циклы

Сотрудничество — ключевая часть жизни для многих организмов, от микробов до сложных многоклеточных форм. Оно возникает, когда особи делятся ресурсами или распределяют задачи так, что вместе получают больше пользы, чем поодиночке. Например, птицы и рыбы сбиваются в стаи, чтобы избежать хищников, слизевики объединяются для поиска пищи и размножения, а бактерии образуют биоплёнки для устойчивости к стрессу.

Для сотрудничества особи должны жить в одном «соседстве». Для бактерий это соседство может быть размером всего в десятки микрон. Но в таких средах, как океан, клеткам с одинаковым генетическим составом редко удаётся самостоятельно оказаться в одном микрорайоне. Это создаёт загадку для учёных: как бактерии строят своё соседство в средах, где выживание зависит от кооперации?

Чтобы изучить эту проблему, профессор MIT Отто X. Кордеро и коллеги вдохновились природой. Они создали модельную систему на основе обычной прибрежной морской бактерии, которой для питания сахарами бурых водорослей требуется кооперация. В системе одиночные клетки изначально находились в морской воде слишком далеко друг от друга, чтобы сотрудничать. Чтобы делиться ресурсами и расти, клеткам нужно было найти механизм создания соседства. «Удивительно, но каждая клетка смогла делиться и создавать собственное соседство из клонов, формируя плотно упакованные кластеры», — говорит Кордеро, доцент кафедры гражданского и экологического строительства.

Новая статья, опубликованная в Current Biology, демонстрирует, как питающаяся водорослями бактерия решает инженерную задачу создания локальной плотности клеток, начиная с одноклеточного состояния.

«Ключевым открытием стала важность фенотипической гетерогенности в поддержке этого удивительного механизма клонального сотрудничества», — говорит Кордеро, ведущий автор статьи.

Используя комбинацию микроскопии, транскриптомики и мечения для определения метаболического состояния клеток, исследователи обнаружили, что клетки фенотипически дифференцируются на липкую «оболочку» и подвижное, запасающее углерод «ядро». Учёные предполагают, что клетки оболочки создают клеточное соседство, необходимое для поддержания кооперации, в то время как клетки ядра накапливают запасы углерода, которые поддерживают дальнейшее клональное размножение при распаде многоклеточной структуры.

Эта работа затрагивает ключевой аспект в более масштабной задаче понимания бактериальных процессов, формирующих нашу планету, таких как цикл углерода из мёртвого органического вещества обратно в пищевые сети и атмосферу. «Бактерии по своей сути — одиночные клетки, но часто то, чего они достигают в природе, делается через сотрудничество. Нам ещё многое предстоит раскрыть о том, чего бактерии могут достичь вместе и чем это отличается от их возможностей как индивидуумов», — добавляет Кордеро.