Халтурщиков не любят даже среди одноклеточных
Своим голубоватым свечением кальмар обязан бактериям, живущим в фотофорах (светящихся органах) на его коже. Из-за того что члены колонии обладают способностью к коллективному поведению, интенсивность этого свечения не зависит от количества бактерий. Фото: William Ormerod/courtesy Margaret McFall-Ngai/UW-Madison University Communications
Казалось бы, что за то время, что люди изучают бактерии, эти микроорганизмы открыли учёным все свои секреты — ведь не так много можно утаить под объективом микроскопа. До последнего времени бактерии воспринимались как простые, примитивные создания, ведущие однообразную, скучную жизнь. По мнению французского генетика Франсуа Жакоба (), единственная цель существования бактерии — это спродуцировать себе подобную. Исследования последних лет, однако, доказывают, что жизнь бактерий гораздо более насыщенна. Они общаются друг с другом, «занимаются сексом», и даже объединяются в группы и сплачиваются против нас, людей.
Чувство кворума
Первое открытие в области социальной жизни бактерий было сделано в начале 60-х годов прошлого столетия и касалось колонии светящихся . Эти бактерии поселяются на теле кальмаров, живущих на отмелях вокруг Гавайских островов. В течение жаркого дня кальмар отдыхает, зарывшись в песок морского дна, а ночью отправляется на охоту. В лунном свете тёмное тело кальмара становится заметным для хищников, однако бактерии, покрывающие кожу кальмара, продуцируют голубоватое свечение, похожее на лунный свет. Это своего рода маскировка.
Микробиолог Вудланд Хастингс () заметил удивительную вещь. Колония Vibrio fischeri в стенах лаборатории удваивала свою численность каждые двадцать минут, однако количество светящегося пигмента — — оставалось на заданом уровне в течение многих часов. Таким образом, интенсивность свечения не зависила от численности. Только когда колония бактерий слишком разрасталась, количество люциферазы начинало слабо расти.
Как же бактерии знали, сколько пигмента производить? Учёному стало очевидно, что бактерии в состоянии оценить количество членов колонии и действовать исходя из этого. Это умение бактерий действовать коллективно было названо «чувством кворума» (). Доктор Хастингс недооценил своё открытие, полагая, что «чувство кворума» присуще только морским бактериям, возможно только Vibrio fischeri. Студент Хастингса Кеннет Нилсон () несколько раз пытался опубликовать работу в научных изданиях по микробиологии, где писал о коммуникации между бактериями Vibrio fischeri. В публикациях ему отказывали, поскольку считалось, что бактерии не социальны.
Однако сегодня изучение мира бактерий не обходится без исследований в области межклеточной коммуникации, а понятие «чувство кворума» стало одним из основополагающих понятий современной микробиологии.
На снимке микрофотографии скопление бактерий синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) при ботриомикозе. Фото: CDC/Dr. Lucille K. George
Так, для бактерии Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка), вызывающей инфекционные заболевания человека, была показана способность объединяться в сообщества — биоплёнки. В организме человека бактерии подвергаются атакам клеток иммунной системы — лейкоцитов. Обнаружив приближение лейкоцита, бактерия посылает предупреждающий сигнал сородичам, и они вместе начинают , которые прикрепляются к поверхности биоплёнки и разрушают лейкоциты. В результате колония оказывается защищённой.
Этот же феномен лежит в основе устойчивости бактерий к антибиотикам, а также в основе патогенеза смертельных бактериальных заболеваний. Так, стафилококк (Staphylococcus aureus) атакует организм не сразу, ведь производство токсина всего несколькими клетками вызовет сильный иммунный ответ. Очевидно, что имеет смысл подождать, пока численность бактерий значительно вырастет, и тогда начать атаку. В такой ситуации иммунитет человека оказывается неспособным подавить бактериальный натиск, и развиваются опасные инфекционные заболевания кожи, мягких тканей, костей и суставов.
Открытие бактериальной коммуникации позволило пересмотреть не только основы микробиологии, но и взгляды на эволюцию жизни. Если учитывать, что бактерии были первыми существами, заселившими Землю, становится понятно, что социальная коммуникация вовсе не возникает в ходе эволюции живых существ на поздних стадиях, она послужила фундаментом успешного развития жизни на нашей планете.
Как они это делают?
Межклеточная сигнализация у бактерий сегодня служит предметом пристальных исследований, ведь если научиться понимать «язык» бактерий, то возможно укрощение многих заболеваний. Для обмена новыми знаниями регулярно проходит специализированная конференция по межклеточной сигнализации бактерий.
Сигнальными молекулами у бактерий служат химические вещества. По сути, такая сигнализация составляет прототип феромонов у человека.
Профессора молекулярной биологии Бонни Басслер () числят среди мировых лидеров в области бактериальной коммуникации. Она изучает коммуникацию возбудителя холеры (Vibrio cholerae). В дикой природе холерный вибрион встречается в водоёмах, и желудочно-кишечный тракт человека предоставляет альтернативную комфортную среду обитания.
Каждая бактериальная клетка продуцирует сигнальные молекулы — аутоиндукторы (CAI-1 и AI-2). Рецепторы на поверхности бактериальных клеток способны воспринимать присутствие аутоиндукторов. При малой плотности популяции аутоиндукторов недостаточно, и, как результат, активность особого гена hapR низка. Такое состояние позволяет холере активно наращивать популяцию и формировать биофильм (биоплёнку). При высокой численности клеток концентрация аутоиндукторов увеличивается, что усиливает экспрессию hapR гена и приводит к формированию фермента — гемагглютинин протеазы. Этот фермент помогает отдельным клеткам выйти из биоплёнки: они могут легко покинуть организм, и человек становится разносчиком заразы.
Микрофлора полости рта в норме представлена различными видами бактерий. Кариес, пародонтоз и другие болезни появляются тогда, когда нарушается баланс микроорганизмов. Фото (Creative Commons license): Sherman Tan
Интересно, что даже внутри популяции бактериальных клеток существуют отдельные индивидуумы, которые «любят халяву». Такие клетки входят в состав сообществ, поэтому пользуются всеми привилегями, однако сами не вносят свою лепту в общее дело. Микробиолог Мартин Шустер () из Университета штата Орегон () продемонстрировал, что присутствие в популяции «халявщиков» может оказаться настоящей трагедией. Для успешного развития и коммуникации бактерий Pseudomonas aeruginosa необходима питательная среда, насыщенная углеродом. После развития сотни поколений бактерий среди них выделяется группа «любителей халявы», которые не реагируют на привычные внешние сигналы. В серии отдельных экспериментов с увеличением численности «халтурщиков» наблюдалось замедление роста популяции бактерий. По всей видимости, в дикой природе существуют особые механизмы, которые позволяют контролировать размножение «халтурщиков» и, таким образом, защищать популяцию в целом.
Коммуникация у бактерий многогранна. Она столь же сложна, как и взаимоотношения между государствами. Один из самых интересных и уникальных примеров — это симбиоз полезных бактерий во рту человека с патогенами, которые вызывают неприятный запах и кариес. Микрофлора полости рта человека насчитывает до пятисот видов бактерий. Развитие целых поколений этих бактерий определяется частотой ежедневных гигиенических процедур полости рта. При этом каждый член этого сообщество должен уметь отличать «своих» от «чужих», чтобы понять, какие биологические сигналы исходят от сходных бактерий, а какие не имеют значения, и их следует игнорировать. Как сообщество, каждый вид бактерий должен определять свою численность и реагировать на изменяющиеся внешние факторы. Если установленный баланс нарушается, это приводит к развитию болезней полости рта.
Интригующие результаты продемонстрировала группа учёных из Бирмингемского университета (). Ян Крефт (Jan Kreft) и его коллеги с помощью математической модели показали, что концентрация веществ-аутоиндукторов неодинакова в популяции бактерий. Существуют бактериальные кластеры, которые окружены более высокой концентрацией аутоиндукторов, чем соседние клетки. Микробиолог Стив Дигл (Steve Diggle) успешно развил эту идею, показав, что бактерии, расположенные по соседству, чаще всего имеют общего прародителя, поэтому являются родственниками, членами одной семьи. Оказалось, что родственные клетки обладают схожим порогом чувствительности к аутоиндукторам, который отличается от других семей. Таким образом, семья бактерий может буквально «пропускать мимо ушей» то, о чём говорят соседи.
Секс полезен для здоровья
До последнего времени секс считался привилегией высокоорганизованных существ, в то время как бактерии, как предполагалось, рамножались только простым делением на две части, на две новые клетки. Нобелевский лауреат Эдвард Тейтем () из Йельского университета (), показал, что . Правда, случается это только по надобности. Так, линия бактерий кишечной палочки (Escherichia coli), обитающая в норме в кишечнике человека, была подвержена воздействию рентгеновских лучей. Такое излучение разрушает ДНК и вызывает мутации с тяжёлыми последствиями. В результате удалось выделить две группы бактерий.
Одна их них не могла синтезировать необходимые для жизнедеятельности витамины, у второй затруднения вызывал синтез жизненно важных аминокислот. При смешении клеток из двух групп удалось получить совершенно нормальные индивидуумы. Получается, что «дефектные» бактерии слились, чтобы ликвидировать мутации и позаимствовать здоровый генетический материал друг у друга. Этот перенос генов между равноправными особями получил название горизонтального переноса генов.
Для того чтобы из двух дефектных групп бактерий кишечной палочки (E. coli), получились здоровые бактерии, им достаточно заняться сексом, точнее осуществить горизонтальный перенос генов. Фото: CDC/ National Escherichia, Shigella, Vibrio Reference Unit at CDC
Горизонтальный перенос генов позволяет бактериям получать от других групп бактерий и, возможно, многоклеточных организов эволюционные преимущества. Действительно, зачем изобретать велосипед, если его можно просто позаимствовать? Систематические исследования в Батском университете () показали, что , отвечающих за обмен веществ у бактерии Escherichia coli, были добавлены с помощью горизонтального переноса за последние сто миллионов лет.
Судя по исследованиям, эти гены были заимствованы у довольно близких видов и помогли Escherichia coli лучше адаптироваться к социальной жизни, эффективнее общаться внутри популяции и выживать перед лицом опасности. Так, благодаря горизонтальному переносу генов бактерии могут приобрести устойчивость к антибиотикам.
Изучение социальной жизни бактерий позволяет учёным понять, как именно эти микроорганизмы противостоят негативному влиянию окружающей среды и каким образом умудряются «переиграть» сильнодействующие лекарственные препараты. Совершенно очевидно: чтобы сделать их слабыми и беззащитными, человеку необходимо научиться разрушать связи в этом союзе вредителей.
