Ещё в середине XX века учёные обратили внимание, что при определённых изменениях условий окружающей среды бактериальные клетки проявляют тенденцию к самоорганизации, и их популяции начинают вести себя как единое целое. Однако потребовалось несколько десятилетий исследований для появления новой научной дисциплины – социомикробиологии, изучающей коммуникационные связи между микроорганизмами.
В 1994 году американский биолог Эверетт Питер Гринберг доказал, что в основе поведения микробов лежит экспрессия генов, и оно изменяется в зависимости от числа клеток в колонии. Этот интеграционный механизм Гринберг назвал чувством кворума. Оно позволяет бактериям переключаться между двумя различными программами экспрессии генов. Первая характерна для низкой плотности клеток LCD (low cell density) и демонстрирует индивидуальное, асоциальное поведение, а вторая проявляется при высокой плотности популяции HCD (high cell density) и реализуется в коллективных, социальных моделях взаимодействия.
При определённых изменениях экосистемы бактерии выделяют специальные вещества – аутоиндукторы. В основном они являются олигопептидами, однако некоторые микроорганизмы для этих целей используют гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) или бактериальные короткоцепочечные жирные кислоты. С увеличением плотности бактерий в популяции продукция аутоиндукторов увеличивается, и при достижении пороговой концентрации начинается транскрипция определённых генов во всех клетках колонии. Выброс аутоиндукторов и запускающийся механизм обратной связи как раз и обеспечивают переход от индивидуального существования микроорганизмов к групповой организации и коллективному поведению.
Учёными были открыт феномен биоплёнок, формирующихся в процессе конгломерации огромного числа бактериальных клеток. Биоплёнки способны образовываться как на неорганических поверхностях, так и in vivo – на слизистых и коже, зубах и во внутренних органах.
Параллельно с процессами химического управления наблюдается также электрическая регуляция поведения бактерий. В 2023 году исследовательская группа из Кёльнского университета обнаружила переход от некоррелированной к коллективной динамике внутри колоний, образованных небезызвестной для многих патогенной бактерией Neisseria gonorrhoeae. В недавно образовавшихся колониях этих организмов поляризация (наличие противоположных электрических зарядов по разные стороны клеточной мембраны) неоднородна, и наблюдаются эпизодические случаи временной и некоррелированной гипер- или деполяризации единичных бактериальных клеток. Однако, когда колонии достигают некоего критического размера, поведение поляризации переходит в коллективную динамику: гиперполяризованная оболочка формируется в центре, движется радиально наружу и останавливается в нескольких микрометрах от периферии колонии.
Доктор Марк Хеннес отмечает: «В молодых колониях бактерий потенциал не коррелирует. Когда колония достигает критического размера, мы наблюдаем нечто совершенно неожиданное: все клетки в центре внезапно увеличивают свой электрический потенциал. Они гиперполяризуются». В центре колонии возникает оболочка из гиперполяризованных клеток, которая распространяется по всей колонии. Исследователи интерпретировали этот феномен пространственно-временных коррелированных моделей поляризации как переход к коллективному поведению, свидетельствующему о формировании биоплёнок.
Итак, удалось доказать, что бактерии, обитающие в сообществах биоплёнок, могут координировать своё поведение посредством передачи сигналов от клетки к клетке. Однако оставалось неясным, могут ли эти сигналы также влиять на поведение удалённых бактерий, не входящих в сообщество. Группа учёных из Университета Калифорнии в Сан-Диего установила, что передача электрических импульсов, опосредованная ионами калия, генерирующаяся биоплёнкой Bacillus subtilis, может привлекать также и отдалённые клетки. Сопоставив результаты экспериментов и математического моделирования исследователи пришли к выводу, что внеклеточный калий, выделяемый из биоплёнки, изменяет мембранный потенциал удалённых клеток, тем самым направляя их подвижность. Это электрически опосредованное притяжение, по-видимому, является общим механизмом, который обеспечивает межвидовое взаимодействие, поскольку клетки Pseudomonas aeruginosa также откликаются на электрический сигнал, генерируемый биоплёнкой B. subtilis. Таким образом, клетки внутри сообщества биоплёнок могут не только координировать своё собственное поведение, но и влиять на поведение различных отдалённых бактерий даже другого вида посредством передачи электрических сигналов на большие расстояния.
Роланд Матис и Мартин Аккерман из Департамента системных наук об окружающей среде Швейцарской высшей технической школы Цюриха установили, что бактерии, которые предварительно подвергались воздействию умеренной концентрации соли в растворе, в последующем лучше переживали уже более высокие концентрации по сравнению с бактериями без такого опыта. В частности, было зафиксировано, что показатели выживаемости в популяциях микроорганизмов, имевших опыт воздействия предупреждающего события, при повторной экспозиции более насыщенного солевого раствора через два часа были выше, чем в популяциях, ранее не подвергавшихся такому эксперименту.
В настоящее время рушится парадигма, о том, что микробы это одноклеточные организмы, живущие сами по себе. «На самом деле бактерии часто выживают, работая вместе. Подобно тому, как медоносные пчёлы перемещают свой улей, колонии бактерий в поисках постоянного дома часто путешествуют коллективными единицами – роями», – говорит микробиолог Дартмутского колледжа Джордж О'Тул, изучающий бактериальные биоплёнки.
Исследователи из Университета Техаса в Остине установили, что бактерии кишечной палочки используют уровни железа как способ хранения информации о различных формах поведения, которые затем могут быть активированы в ответ на определённые стимулы. Сувик Бхаттачария изучал поведение кишечной палочки и заметил феномен «странных моделей колоний», которых он никогда не видел раньше. Выделив отдельные бактерии, его группа обнаружила, что клетки ведут себя по-разному, основываясь на своём прошлом опыте. Клетки бактерий в колониях, которые ранее роились, были более склонны к новому роению (роение бактерий – это быстрое движение, происходящее за счёт вращения жгутиков), чем те, которые этого не делали, и их потомство вело себя также в течение как минимум четырёх поколений – около двух часов.
Экспериментировав с геномом Escherichia coli, учёные обнаружили, что в основе этой способности лежат два гена, которые вместе контролируют поглощение и регуляцию уровня железа. По мнению Бхаттачарья, клетки с низким уровнем этого важного для бактерий питательного вещества, предрасположены к образованию мобильных роёв и поиску новых мест с идеальным уровнем железа.
Предыдущие исследования показали, что некоторые бактерии могут запоминать и передавать своим потомкам детали о внешней физической среде, в частности о наличии стабильной поверхности, – говорит О'Тул. Но это исследование предполагает, что бактерии также могут запоминать присутствие питательных веществ. Микроорганизмы используют эти данные для определения долгосрочной пригодности места и начала образования биоплёнок. Исследователи предполагают, что когда уровень железа низкий, на основе воспоминаний бактерии формируют быстро движущийся мигрирующий рой в поисках железа в окружающей среде. В случае высокого уровня железа воспоминания указывают на то, что данная среда является хорошим местом для образования биоплёнки.
Поскольку бактерии сложнее уничтожить, когда они образуют более крупные структуры, понимание того, почему они это делают, может в конечном итоге привести к новым подходам в борьбе с упорно текущими инфекциями. По словам О'Тула, это исследование даёт возможность разработать новые методы борьбы с заболеваниями, что особенно важно, поскольку антибиотики становятся всё менее и менее эффективными в уничтожении этих микробов.
Интересно исследование, проведённое учёными из Университета Калифорнии в Сан-Диего, в котором после освещения синим светом было обнаружено открытие катионных каналов бактерий и изменение мембранного потенциала. Этот эффект был устойчив и длился в течение часов, даже если заряд других бактерий на биоплёнке или концентрация ионов в окружающей среде периодически менялась. Авторами был сделан вывод о том, что бактериальная память напоминает свойства нейронов, и её можно использовать для вычислений с помощью живых систем.
«Бактерии не имеют мозга, но они могут собирать информацию из окружающей среды, и если микроорганизмы часто сталкивались с этой средой, они способны хранить полученные данные и затем быстро получать к ним доступ», – отмечает Сувик Бхаттачария. Бактерии не имеют ни нейронов, ни синапсов, ни нервной системы, однако демонстрируют способность сохранять и обрабатывать информацию.
Действительно, для её переработки всего лишь необходимы элементы, способные принимать и сохранять два различных состояния, по аналогии с двоичными элементами компьютеров, работающих в битовом коде. Уже сегодня на основании наблюдения о том, что организация бактериальных колоний подобна нейронным сетям, учёные предполагают в будущем появление биокомпьютеров, где данные будут передаваться в виде электрических сигналов, а записываться на клеточных оболочках бактерий.
Также материалы по теме «Загадки биологии и медицины»:
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.