Бактерии могут передавать память своим потомкам

Под руководством ученых из UCLA международная команда исследователей обнаружила, что у бактерий есть «память», которая передает сенсорное знание от одного поколения клеток к другому, без центральной нервной системы или любых нейронов.

«Это огромный сюрприз для нас», — сказал Джерард Вонг, профессор биоинженерии, химии и биохимии, член Калифорнийского института нанотехнологий в Лос-Анджелесе и один из старших авторов исследования.

Эти результаты являются важным шагом на пути к пониманию труднодоступных инфекций, вызванных бактериальными биопленками у людей с кистозным фиброзом.

Команда изучила штамм бактерий Pseudomonas aeruginosa, который образует биопленки в дыхательных путях людей с кистозным фиброзом и вызывает постоянные инфекции, которые могут быть летальными. Бактериальные биопленки могут также образовываться на хирургических имплантатах, таких как искусственное бедро; когда они это делают, они могут вызвать повреждение имплантата.

Бактериальные биопленки состоят из генетически идентичных бактериальных клеток, которые могут колонизировать почти любую поверхность и формировать сообщества, в которых отдельные клетки организуются и взаимодействуют.

«Первым шагом в формировании биопленки является то, что бактерии должны ощущать поверхность и развивать способность прикрепляться», — сказал Кэлвин Ли, аспирант UCLA, и первый автор исследования. «Впервые мы смогли следить за поведением целых линий отдельных клеток, и мы обнаружили, что потомки могли помнить поверхностные сигналы восприятия своих предков».

Результаты были опубликованы в «Proceedings of the National Academy of Sciences» и появятся позже в печатном издании журнала.

«Мне было очень интересно, что мы узнали, как обратимая и необратимая привязанность связана во время раннего образования биопленки», — сказал Джордж О’Тул, старший научный сотрудник исследования и профессор Медицинской школы Гейзеля в Дартмуте. «Эти концепции были описаны в 1930-х годах, но нам потребовалось почти 90 лет, чтобы понять, как они работают рука об руку, чтобы помочь в формировании раннего образования биопленки».

Для анализа клеток, которые находятся в процессе «ощущения» поверхности, ученые использовали метод отслеживания нескольких поколений клеток, который был разработан исследовательской группой Вонга, наряду с несколькими другими методами анализа данных, включая один метод обработки сигналов, который чаще используется для анализа высоты тона в музыке — первое известное применение этого метода для биологических измерений.

Подход показал, что два события были связаны в ритмической картине: экспрессия циклического АМП, сигнальной молекулы внутри бактериальных клеток и уровень активности пили типа IV, придатков на бактериальных клетках, которые участвуют в движении клеток. Исследование показало, что события разделены всего на несколько часов.

«Бактерии чувствуют и запоминают этот ритмический паттерн, который имеет решающее значение для их решения подавить подвижность, стать неподвижными и в конечном итоге необратимо прикрепиться к поверхности и сформировать биопленку», — сказал Вонг.

Рамин Голестанян, один из авторов исследования сказал: «Я был приятно удивлен, узнав, как много можно узнать о процессе принятия решений бактериями на ранних стадиях формирования биопленки, составив строгую многомасштабную характеристику системы от молекулярного уровня вплоть до уровня биопленки».

Больше информации: Calvin K. Lee et al. Multigenerational memory and adaptive adhesion in early bacterial biofilm communities, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1720071115