В лабораторных условиях многие распространенные бактерии размножаются и делятся на симметричные половины. Однако в реальном мире с ограниченными ресурсами условия не всегда идеальны для такого рода тщательно спланированного роста.
Новое исследование ученых из Чикагского университета показывает, как цианобактерии (бактерии, вырабатывающие энергию посредством фотосинтеза, как растения) изменяют способ их роста и разделения в ответ на различные уровни света. При типичных условиях освещения клетки остаются относительно короткими и делятся симметрично. Но по мере затемнения света клетки растут длиннее и неравномерно делятся, в результате чего образуются две дочерние клетки разной длины. Исследователи считают, что это может быть стратегия выживания, которая эволюционировала, чтобы помочь этим бактериям выжить в менее идеальных условиях.
В реальном мире большинство бактерий живет в условиях ограниченного роста, плохого питания, и они лишь время от времени получают затруднения от еды. Вероятно, эволюция выбирает для этого способность терпеть голод в течение долгого времени и использовать эти редкие ресурсы как можно эффективнее.
В новом исследовании, представленном в последнем номере Cell Systems, Rust and Yi Liao, PhD, исследователи в лаборатории использовали кратковременную визуализацию для отслеживания деления клеток в Synechococcus elongatus, цианобактерии в форме стержня. Исследователи обнаружили, что при слабом освещении, которое вызывает стресс для клеток, ограничивая их источник энергии, S. elongatuscells растут дольше, чем обычно. При повторном включении света клетки короче восьми микрометров все еще делятся симметрично, но при превышении этой длины деления становятся неравномерными, обычно производя одну короткую часть (около трех микрометров) и одну длинную.
Во многих бактериях положение, в котором материнская клетка расщепляется на две, контролируется так называемой системой Мин (Min), группой белков, которая движется внутри клетки. В типичной короткоклеточной клетке один из белков, МинК, скапливается в одном конце, а затем каждые несколько минут перемещается в противоположный конец. По мере того, как они отскакивают назад и вперед, белки МинК проводят больше времени на концах и меньше на середине клетки, как сжатие водяного шарика посередине и виляя им вперед и назад. Поскольку МинК ингибирует деление клеток, эти колебания создают своего рода слабое место посередине, где клетка может делиться.
Чтобы выяснить, является ли система Мин причиной асимметричных делений, наблюдаемых в длинных клетках, ученые маркировали белок МинК флуоресцентным маркером, позволяющим им следить за его движением. Они обнаружили, что система Мин имеет различные паттерны в зависимости от длины ячейки. Белки сохраняли характерный обратной-четвертый колебательный паттерн в коротких клетках, но они формировали различные динамические паттерны в длинных клетках, включая многополосные колебания, перемещающиеся волны и другие более сложные паттерны. Во всех этих шаблонах в длинных клетках область без МинК всегда находилась на расстоянии около трех микрометров от конца клетки, что позволяло клеткам разделяться вне центра и становиться короткой клеткой.
"Мы считаем, что модели меняются, потому что они чувствительны к геометрическим параметрам и могут адаптироваться к изменяющемуся размеру клеток", - сказал Ляо. "Способность формировать эти различные структуры позволяет коротким клеткам делиться симметрично, а длинным клеткам производить короткие дочерние клетки."
Раст и Ляо сказали, что они не уверены, почему бактерии делятся на разные длины в стрессовых условиях или одна длина дает преимущество перед другой. Может быть, меньшие по размеру ячейки способны лучше маневрировать, чтобы найти ресурсы. Удлинение самих себя может дать клетке больше площади поверхности для поглощения света в условиях недостаточной освещенности. Есть даже доказательства того, что длина является защитным механизмом для патогенов, потому что иммунной клетке сложнее поглотить действительно длинную бактериальную клетку.
Асимметричное деление клеток.
При слабом освещении клетки удлиняются и делятся асимметрично. Понимание того, как бактерии растут и делятся в реальных условиях, может помочь стратегиям использования антибиотиков. Например, клеткам может понадобиться определенная длина, чтобы заразить кого-то, или же они просто удлиняются и не делятся, чтобы вырваться из трудных времен. Исследователи могут использовать это в своих интересах и разрабатывать способы вмешательства в работу системы Мин и нарушать действия бактерий, направленных на выживание.
"Существует целый скрытый мир биологии неоптимальных условий", - сказал Раст. "Мы можем понять, как организмы растут и процветают в трудных условиях, которые могут открыть новые правила поведения жизни."