Обнаружено, что «простые» бактерии организуются в удивительно сложные схемы
Обнаружен генетический механизм, который позволяет сообществам бактериальных клеток организовываться в удивительно сложные сегменты, обнаруживая сходство с тем, как развиваются растения и животные.
За последние несколько лет исследования лаборатория биолога Калифорнийского университета в Сан-Диего Гурола Сюэля выявила ряд замечательных особенностей, проявляемых скоплениями бактерий, которые живут вместе в сообществах, известных как биопленки.
Биопленки широко распространены в живом мире, населяя канализационные трубы, кухонные столешницы и даже поверхность наших зубов. Предыдущее исследование показало, что эти биопленки используют сложные системы для связи друг с другом, в то время как другое доказало, что биопленки обладают надежной способностью к памяти.
Теперь ученые обнаружили особенность биопленок, которая показывает, что эти сообщества гораздо более развиты, чем считалось ранее. Оказалось, что клетки биопленки организованы в сложные структуры — особенность, которая ранее была связана только с организмами более высокого уровня, такими как растения и животные.
«Мы видим, что биопленки намного сложнее, чем мы думали», — говорят исследователи.
«С биологической точки зрения наши результаты показывают, что концепция формирования клеточных паттернов во время развития гораздо древнее, чем считалось ранее. По-видимому, способность клеток сегментировать себя в пространстве и времени появилась не только у растений и позвоночных, но может быть и более миллиарда лет назад».
Сообщества биопленок состоят из клеток разных типов. Раньше ученые не думали, что эти разрозненные клетки могут быть организованы в сложные регулируемые структуры.
Для нового исследования ученые разработали эксперименты и математическую модель, которая раскрыла генетическую основу механизма «часов и волнового фронта*», ранее наблюдаемого только у высокоразвитых организмов, от растений до плодовых мушек и людей.
По мере того как биопленка расширяется и потребляет питательные вещества, «волна» истощения питательных веществ перемещается по клеткам внутри бактериального сообщества и замораживает молекулярные часы внутри каждой клетки в определенное время и в определенном месте, создавая сложную составную структуру повторяющихся сегментов различных типов клеток.
Прорывом для исследователей стала возможность идентифицировать генетическую цепь, лежащую в основе способности биопленки генерировать концентрические кольца паттернов экспрессии генов, охватывающие все сообщество биопленки. Затем исследователи смогли смоделировать прогнозы, показывающие, что биопленки могут по своей природе генерировать множество сегментов.
«Наше открытие демонстрирует, что бактериальные биопленки используют механизм формирования паттерна развития, который до сих пор считался исключительным для позвоночных и растительных систем», — отмечают авторы.
Результаты исследования имеют значение для множества областей исследований. Поскольку биопленки широко распространены в нашей жизни, они представляют интерес для различных применений, от медицины до пищевой промышленности.
Биопленки как системы, способные проверять, как простые клеточные системы могут организовываться в сложные паттерны, могут быть полезны в биологии развития для исследования конкретных аспектов механизма часов и формы волны, который функционирует, например, у позвоночных.
«Мы видим, что бактериальные сообщества — это не просто скопления клеток», — говорят ученые. «Наличие бактериальной системы позволяет нам дать некоторые ответы, которые трудно получить в системах позвоночных и растений, потому что бактерии предлагают более экспериментально доступные системы, которые могут дать новые идеи для науки».
*Модель часов и волнового фронта — это модель, используемая для описания процесса сомитогенеза у позвоночных. Сомитогенез — это процесс, при котором образуются сомиты, блоки мезодермы, дающие начало разнообразным соединительным тканям.
Модель описывает отщепление сомитов от параксиальной мезодермы в результате осциллирующей экспрессии определенных белков и их градиентов.