Ученые заметили жутко сложные узоры в колониях "простых" бактерий

Бактериальные колонии могут организовываться в сложные кольцеобразные структуры, которые имеют "интригующее сходство" с развивающимися эмбрионами и считались уникальными для растений и животных, говорится в новом исследовании.

Бактериальные клетки объединяются в группы, образуя плотно упакованные колонии, называемые биопленками, которые все чаще становятся похожими на многоклеточные организмы. Эти биопленки можно найти практически везде: на корпусах лодок, сельскохозяйственных культурах и горячих источниках, а также на липком, неподатливом налете, который образуется на наших зубах.

Но, как мы узнали, биопленки не следует принимать за слизистые сгустки клеток - они могут образовывать сложные узоры, напоминающие то, как растения и животные развивают сегменты по мере своего роста, как показывает новое исследование.

"Мы видим, что биопленки гораздо сложнее, чем мы думали", - говорит молекулярный биолог и автор исследования Гюрол Зюэль из Калифорнийского университета в Сан-Диего, чьи предыдущие исследования предполагали, что биопленки обладают коллективной памятью, подобной нейронам в мозге (хотя не все ученые были в этом уверены).

Более того, биопленки также способны привлекать другие виды бактерий в свои сообщества с помощью электрических сигналов дальнего действия.

В последнем исследовании Зюэль и его коллеги наблюдали, как бактериальные биопленки, выращенные в лаборатории, образуют кольцеподобные структуры, которые напоминают "полосы" развития, наблюдаемые у растений и животных.

У многоклеточных организмов такая клеточная структура, известная как сегментация, приводит к появлению различных типов тканей и сложных форм тела, тогда как считалось, что сообщества биопленок, которые по сути являются скоплениями одноклеточных бактерий, образуют лишь самые примитивные структуры.

"Наше открытие показывает, что бактериальные биопленки используют механизм развития, который до сих пор считался исключительным для позвоночных и растительных систем", - пишут исследователи.

В лаборатории команда вырастила Bacillus subtilis, палочковидную бактерию, которая встречается в почве и организме человека и образует морщинистые биопленки.

При недостатке азота растущие биопленки организовались в четкие круговые полосы, напоминающие кольца деревьев и сегментацию, наблюдаемую у развивающихся эмбрионов. Посмотрите на видео ниже, на котором запечатлена одна колония, растущая в течение двух дней.

По мнению исследователей, эта кольцеобразная структура образуется благодаря генетической схеме в бактериальных клетках, которая реагирует на сильный стресс, когда питательные вещества, такие как жизненно важный азот, находятся в дефиците.

Математическое моделирование и эксперименты показали, что по мере роста биопленки наружу и поглощения питательных веществ, "волна" истощения питательных веществ проходила через бактериальные клетки, по существу "замораживая" каждую клетку на месте с помощью генов, которые они использовали в то время для борьбы со стрессом.

Эта пульсирующая стрессовая реакция создавала повторяющиеся сегменты различных типов клеток в круговой биопленке, обнаружили исследователи, что соответствует механизму "часов и волны", который до этого наблюдался только у высокоразвитых организмов.

"В расширяющейся биопленке, - пишут исследователи, - этот механизм "замораживания" может естественным образом возникать во время развития: реплицирующиеся клетки на переднем крае биопленки растут, оставляя после себя дочерние клетки, которые встраиваются в биопленку и, таким образом, имеют меньший доступ к питательным веществам".

Зюэль и его коллеги предполагают, что этот механизм формирования спор может быть еще одним способом, с помощью которого биопленки справляются с непредсказуемыми условиями, так сказать, хеджируют свои ставки, "поскольку не все споры образуются в одно и то же время и в одной и той же области биопленки".

Однако это не первый случай, когда ученые наблюдают бактериальные сообщества, имитирующие многоклеточные организмы, и между ними, несомненно, есть заметные различия, как отмечают исследователи.  

В 2020 году ученые показали, как рост биопленки отражает эмбриональное развитие, при этом растущие колонии следуют строго организованной последовательности экспрессии генов в течение нескольких месяцев.

Во время публикации этого исследования генетик Томислав Домазет-Лошо из Католического университета Хорватии сказал: "Учитывая, что самые древние известные окаменелости представляют собой бактериальные биопленки, вполне вероятно, что первая жизнь также была многоклеточной, а не одноклеточным существом, как считалось до сих пор".

Зюэль и его коллеги также отмечают, что биопленки не имеют четких границ между типами клеток так же, как эмбрионы, в которых развиваются отдельные клеточные слои, поэтому любые очевидные сходства на данном этапе являются лишь концептуальными.

Тем не менее, эти недавние наблюдения вновь поднимают некоторые важные вопросы о том, что определяет многоклеточный организм, когда "простые" одноклеточные организмы оказываются гораздо более развитыми, чем мы думали сначала.

"Эти дебаты будут возобновлены этим [последним] исследованием", - сказал New Scientist клеточный биолог Танмай Бхарат из Оксфордского университета. "С точки зрения эволюционной клеточной биологии было бы интересно изучить, в чем заключаются различия".  

Исследование было опубликовано в журнале Cell.