Τα βακτήρια του ωκεανού αποκαλύπτουν μια απροσδόκητη πολυκύτταρη μορφή

Κλείστε τα μάτια σας και φανταστείτε βακτήρια. Ίσως φαντάζεστε την εντερική μας Escherichia coli , ή τις γυαλιστερές χρυσές μπάλες του σταφυλόκοκκου, ή τις ρομπότσες των σπειροχαιτών της νόσου του Lyme. Ανεξάρτητα από το είδος και το σχήμα του, οι πιθανότητες είναι ότι το μάτι του μυαλού σας δημιουργεί ένα μόνο κύτταρο ή ίσως πολλά κύτταρα που ζουν ελεύθερα.

Το πρόβλημα με αυτήν την εικόνα, λέει η μικροβιολόγος Julia Schwartzman, είναι ότι δεν αντικατοπτρίζει τον τρόπο με τον οποίο είναι πιθανό να ζουν τα περισσότερα βακτήρια. Συχνά, τα βακτήρια χρησιμοποιούν κολλώδη μόρια για να αγκιστρωθούν σε μια επιφάνεια, που αναπτύσσονται σε μεγάλες, σταθερές ομάδες που ονομάζονται βιοφίλμ. Η πλάκα στα δόντια σας είναι ένα βιοφίλμ. Το ίδιο συμβαίνει και με τις λοιμώξεις στους καθετήρες, το γλοιώδες πράσινο του αφρού της λίμνης και το σκουπιδότοπο που φράζει την αποχέτευση της μπανιέρας σας.

Αλλά η πρόσφατη εργασία της Schwartzman, την οποία διεξήγαγε ως μεταδιδακτορική υπότροφος στο εργαστήριο του Otto Cordero στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, δείχνει ότι ακόμη και τα βακτήρια που επιπλέουν στον ανοιχτό ωκεανό, τα οποία δεν έχουν σημείο αγκύρωσης για το σχηματισμό μεγάλων συσσωματωμάτων, υπάρχουν σε πολυκύτταρες μορφές.

«Είδαμε αυτές τις δομές που ήταν απλά απίστευτες», είπε.

Όπως έδειξαν οι Schwartzman, Cordero και οι συνάδελφοί τους στην πρόσφατη εργασία τους στο Current Biology , αυτές οι πολυκύτταρες μορφές προέκυψαν επειδή τα βακτήρια ανέπτυξαν έναν κύκλο ζωής πολύ πιο περίπλοκο από ό,τι συνήθως παρατηρείται σε μονοκύτταρους οργανισμούς.

Εταιρεία για δείπνο

Ο Schwartzman κατέληξε σε αυτές τις ανακαλύψεις σχετικά με την πολυκυτταρικότητα στα θαλάσσια βακτήρια προσπαθώντας να μάθει για κάτι πιο θεμελιώδες:πώς τρώνε.

Στον ανοιχτό ωκεανό, συχνά η μόνη πηγή ενέργειας για τα θαλάσσια μικρόβια είναι ένας ζελατινώδης υδατάνθρακας που ονομάζεται αλγινικό. Σε αντίθεση με τη γλυκόζη, τη φρουκτόζη και άλλα απλά σάκχαρα που μπορούν εύκολα να διασχίσουν μια κυτταρική μεμβράνη, το αλγινικό αποτελείται από μακριές, κουλουριασμένες κλώνες που είναι συχνά μεγαλύτερες από τα βακτήρια που βρίσκονται πάνω τους. Ο Schwartzman ήθελε να μάθει περισσότερα για το πώς τα βακτήρια γλεντούν αποτελεσματικά, καθώς τα πεπτικά ένζυμα που εκκρίνουν για τη διάσπαση του αλγινικού θα μπορούσαν εύκολα να αραιωθούν και να παρασυρθούν στα ανοιχτά νερά του ωκεανού.

Γι 'αυτό και ο Ali Ebrahimi, ένας άλλος μεταδιδάκτορας στο εργαστήριο του Cordero, άρχισαν να μετρούν την ανάπτυξη του φωταυγούς θαλάσσιου βακτηρίου Vibrio splendidus σε φιάλες με ζεστό ζωμό γεμάτο με αλγινικό. Σε πολλά μικροβιολογικά πειράματα, οι επιστήμονες παρέχουν στα μικρόβια μια σειρά από θρεπτικά συστατικά για να ενθαρρύνουν τα κύτταρα να διαιρεθούν όσο το δυνατόν γρηγορότερα, αλλά οι φιάλες του Schwartzman και του Ebrahimi ανάγκασαν το Vibrio τα βακτήρια να επιβιώνουν σε σχετικά μικρές ποσότητες αλγινικών πολυμερών μεγάλου μεγέθους, ακριβώς όπως συμβαίνει στη θάλασσα.

Ωστόσο, όταν η Schwartzman άρχισε να συλλέγει δεδομένα, νόμιζε ότι είχε κάνει ένα πρωτάρη λάθος. Καθώς τα βακτήρια πολλαπλασιάζονται, μεταμορφώνουν τον διαυγή, κεχριμπαρένιο ζωμό καλλιέργειας σε ένα θολό στιφάδο. Μετρώντας τη θολότητα, ο Schwartzman μπορούσε να προεκβάλει τον αριθμό των μικροβίων στη φιάλη και να κατασκευάσει μια καμπύλη ανάπτυξης για να υπολογίσει πόσο γρήγορα διαιρούνταν τα κύτταρα. Οι βακτηριολόγοι υπολογίζουν τους ρυθμούς ανάπτυξης με αυτόν τον τρόπο εδώ και δεκαετίες. Ως μεταδιδάκτορας, η Schwartzman είχε χάσει το μέτρημα για το πόσες φορές το είχε κάνει όλα αυτά τα χρόνια.

Η καμπύλη ανάπτυξης για το Vibrio της Οι κουλτούρες, ωστόσο, δεν έδειχναν τη συνηθισμένη ομαλά ανοδική γραμμή, αλλά μάλλον ένα ανώμαλο στριμωξίδι σαν την πίστα ενός τρενάκι του λούνα παρκ. Ανεξάρτητα από το πόσες φορές επανέλαβε τη διαδικασία, τα βακτήρια δεν παρήγαγαν την αναμενόμενη θολότητα στο ζωμό.

A Microscopic Snow Globe

Για να ελέγξει τι συνέβαινε, ο Schwartzman εναπόθεσε ένα σταγονίδιο του διαλύματος καλλιέργειας σε μια γυάλινη πλάκα μικροσκοπίου και κοίταξε μέσα από το φακό σε μεγέθυνση 40 φορές. Αυτό που είδαν εκείνη και ο Ebrahimi δεν ήταν σμήνη μεμονωμένων Vibrio αλλά μάλλον όμορφες, πολυεπίπεδες σφαίρες που αποτελούνται από εκατοντάδες ή χιλιάδες βακτήρια που ζουν μαζί.

«Δεν ήταν απλώς μια σταγόνα βακτηρίων», είπε ο Schwartzman. "Είναι ένα σφαιρικό πράγμα και μπορείτε να δείτε τα κύτταρα να αναμειγνύονται στη μέση."

Περαιτέρω εργασία έδειξε ότι οι κοίλες σφαίρες ήταν Vibrio λύση στην περίπλοκη πρόκληση του φαγητού στη θάλασσα. Ένα μεμονωμένο βακτήριο μπορεί να παράγει μόνο τόσα πολλά ένζυμα. Η διάσπαση του αλγινικού γίνεται πολύ πιο γρήγορα όταν το Vibrio μπορούν να συγκεντρωθούν μαζί. Είναι μια στρατηγική νίκης, λέει ο Schwartzman — μέχρι ένα σημείο. Εάν υπάρχουν πάρα πολλά Vibrio , ο αριθμός των βακτηρίων ξεπερνά το διαθέσιμο αλγινικό.

Τα βακτήρια έλυσαν το αίνιγμα αναπτύσσοντας έναν πιο περίπλοκο κύκλο ζωής. Τα βακτήρια ζουν σε τρεις διακριτές φάσεις. Στην αρχή, ένα μεμονωμένο κύτταρο διαιρείται επανειλημμένα και τα θυγατρικά κύτταρα στριμώχνονται σε αναπτυσσόμενες συστάδες. Στη δεύτερη φάση, τα συσσωρευμένα κύτταρα αναδιατάσσονται σε μια κοίλη σφαίρα. Τα εξωτερικά κύτταρα συγκολλούνται μεταξύ τους, σχηματίζοντας κάτι μάλλον σαν μια μικροσκοπική σφαίρα χιονιού. Τα κύτταρα μέσα γίνονται πιο κινητά, κολυμπούν καθώς καταναλώνουν το παγιδευμένο αλγινικό. Στην τρίτη φάση, το εύθραυστο εξωτερικό στρώμα σπάει, απελευθερώνοντας τα καλά τροφοδοτημένα εσωτερικά κύτταρα για να ξεκινήσει εκ νέου ο κύκλος.

Στην πραγματικότητα, Vibrio γίνονται ένα ετερογενές μείγμα κυττάρων, με τα βακτήρια να χρησιμοποιούν διαφορετικά γονίδια για να ελέγχουν τη συμπεριφορά τους σε κάθε φάση. Καθώς τα κύτταρα αλληλεπιδρούν με τους γείτονές τους στη δομή, αυτό που προκύπτει είναι «μια εκπληκτική πολυπλοκότητα», είπε η Schwartzman, η οποία εγκαινιάζει το δικό της εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια τον Ιανουάριο. "Τα βακτήρια λαμβάνουν συνεχώς πληροφορίες από το περιβάλλον τους και μερικές φορές ανταποκρίνονται με τρόπους που αλλάζουν το περιβάλλον."

Αυτή η πολυπλοκότητα αποδίδει για το Vibrio με διάφορους τρόπους. Μεταβάλλοντας τον κύκλο ζωής τους ώστε να περιλαμβάνει ένα πολυκύτταρο στάδιο, τα βακτήρια μπορούν να αφομοιώσουν το αλγινικό άλας αποτελεσματικά:Ο αριθμός τους αυξάνεται και το κοίλο κέλυφος βοηθά στη συγκέντρωση των ενζύμων. Εν τω μεταξύ, η δομή της κοινότητας εμποδίζει τη γέννηση πάρα πολλών κυττάρων. Τα κύτταρα στο κέλυφος χάνουν την ευκαιρία να αναπαραχθούν, αλλά το DNA τους παραμένει ούτως ή άλλως στην επόμενη γενιά, καθώς όλα τα κύτταρα στη σφαίρα είναι κλώνοι.

Πόσο συχνή είναι η πολυκυτταρικότητα;

Το έργο είναι «ένα όμορφο χαρτί», σύμφωνα με τον Jordi van Gestel, ο οποίος μελετά την εξέλιξη της μικροβιακής ανάπτυξης στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας και δεν συμμετείχε στην έρευνα. Ο Van Gestel λέει ότι τα αποτελέσματα ενισχύουν την ιδέα ότι, πέρα ​​από την εξαίρεση, η μικροβιακή ομαδική ζωή είναι ο κανόνας.

"Αποδεικνύει όμορφα την πολυπλοκότητα του κύκλου ζωής σε τόσο απλά βακτήρια", είπε.

Η Anahit Penesyan, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Macquarie στην Αυστραλία, λέει ότι η εργασία των Schwartzman και Cordero προσφέρει μια χρήσιμη πρόκληση στις προκαταλήψεις για τα βακτήρια. «Είναι χαραγμένο στην κατανόησή μας ότι ένα μικρόβιο είναι απλώς ένα κύτταρο», είπε, και ως εκ τούτου, οι ερευνητές συχνά δεν αναζητούν περίπλοκες συμπεριφορές που θα μπορούσαν να κυριαρχούν στη μικροβιακή ζωή. "Είναι σαν να κοιτάς έναν σπόρο ή ένα σπόρο φυτού και να προσπαθείς να συμπεράνεις πώς είναι ολόκληρο το φυτό."

Το νέο Vibrio Το εύρημα προσθέτει σε έναν αυξανόμενο κατάλογο μικροβίων που μπορούν να γίνουν πολυκύτταρα για τουλάχιστον ένα μέρος της ζωής τους. Πέρυσι, ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια ανέφεραν ότι οι μονοκύτταροι ζυμομύκητες στο εργαστήριό τους εξέλιξαν μια τεράστια πολυκύτταρα μορφή μέσα σε μόλις δύο χρόνια. Και τον Οκτώβριο, ερευνητές στην Ιαπωνία ανακοίνωσαν την ανακάλυψη βακτηρίων που αναπτύσσονται σε πολυκύτταρες δομές στους τοίχους των σπηλαίων. όταν τα βράχια βυθίζονται από υπόγεια ρεύματα, οι δομές εκτοξεύουν εξειδικευμένα κύτταρα όπως οι σπόροι για να αποικίσουν άλλες τοποθεσίες.

Ο Schwartzman και ο van Gestel πιστεύουν και οι δύο ότι η ικανότητα για πολυκυτταρικότητα εξελίχθηκε νωρίς στην ιστορία της ζωής και είναι κοινή με τα αρχαία ξαδέρφια των βακτηρίων, τα αρχαία, τα οποία επίσης φαίνονται μονοκύτταρα. Πιστεύουν ότι είναι απλώς θέμα χρόνου μέχρι οι ερευνητές να βρουν άλλα είδη με παρόμοιες ιδιότητες — και ο Schwartzman έχει ήδη αρχίσει να ψάχνει.

Η James Shapiro, συνταξιούχος μικροβιολόγος από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, δεν έχει καμία αμφιβολία ότι θα το βρει.

Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1980, ο Shapiro και άλλοι μικροβιολόγοι όπως η Bonnie Bassler στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον έδειξαν ότι ο μονοκύτταρος τρόπος ζωής των καλά μελετημένων βακτηρίων ήταν συχνά ένα τεχνούργημα των περιβαλλόντων τεχνητής φιάλης στα οποία αναπτύχθηκαν. Σε ένα άρθρο του 1998 στην Annual Review of Microbiology , ο Shapiro υποστήριξε ότι τα βακτήρια δεν είναι μονοκύτταρα μοναχικά. «Κατέληξα στο συμπέρασμα ότι βασικά όλα τα βακτήρια είναι πολυκύτταροι οργανισμοί», είπε.

Κατά τη διάρκεια της καριέρας του τεσσάρων δεκαετιών, ο Shapiro είδε την υπόθεσή του να μετατρέπεται από σχεδόν αιρετική σε αδιαμφισβήτητη. «Στην αρχή, είχα απλώς μπερδεμένη προσοχή, αλλά τώρα έχει γίνει συμβατική σοφία», είπε. "Η πολυκυτταρικότητα είναι μια εγγενής ιδιότητα των βακτηρίων."

Σημείωση του συντάκτη:Ο Cordero είναι συν-διευθυντής της Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Η έρευνα των Schwartzman, Cordero και των συναδέλφων τους υποστηρίχθηκε μέσω αυτής της συνεργασίας από το Simons Foundation, το οποίο επίσης χορηγεί αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.