Τα βακτήρια χρησιμοποιούν εγκεφαλικές εκρήξεις ηλεκτρισμού για να επικοινωνήσουν
Τα βακτήρια έχουν μια ατυχή —και ανακριβή— δημόσια εικόνα καθώς μεμονωμένα κύτταρα περιστρέφονται στις διαφάνειες μικροσκοπίου. Ωστόσο, όσο περισσότερα μαθαίνουν οι επιστήμονες για τα βακτήρια, τόσο περισσότερο βλέπουν ότι αυτή η φήμη που μοιάζει με ερημίτη είναι βαθιά παραπλανητική, όπως η προσπάθεια κατανόησης της ανθρώπινης συμπεριφοράς χωρίς αναφορά σε πόλεις, νόμους ή ομιλία. «Οι άνθρωποι αντιμετώπιζαν τα βακτήρια ως… μοναχικούς οργανισμούς που ζουν μόνοι τους», είπε ο Gürol Süel, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Ντιέγκο. "Στην πραγματικότητα, τα περισσότερα βακτήρια στη φύση φαίνεται να κατοικούν σε πολύ πυκνές κοινότητες."
Η προτιμώμενη μορφή κοινότητας για τα βακτήρια φαίνεται να είναι το βιοφίλμ. Στα δόντια, στους σωλήνες, στους βράχους και στον ωκεανό, τα μικρόβια συγκρούονται κατά δισεκατομμύρια και χτίζουν γύρω τους κολλώδεις οργανικές υπερδομές. Σε αυτά τα φιλμ, τα βακτήρια μπορούν να μοιράσουν την εργασία:τα εξωτερικά κύτταρα μπορεί να αποκρούσουν τις απειλές, ενώ τα εσωτερικά κύτταρα παράγουν τροφή. Και όπως οι άνθρωποι, που έχουν πετύχει σε μεγάλο βαθμό συνεργαζόμενοι μεταξύ τους, τα βακτήρια ευδοκιμούν στις κοινότητες. Τα αντιβιοτικά που αποστέλλουν εύκολα κύτταρα ελεύθερης κολύμβησης συχνά αποδεικνύονται άχρηστα έναντι των ίδιων τύπων κυττάρων, όταν αυτά έχουν κολλήσει σε ένα φιλμ.
Όπως σε όλες τις κοινότητες, τα βακτήρια που συγκατοικούν χρειάζονται τρόπους ανταλλαγής μηνυμάτων. Οι βιολόγοι γνωρίζουν εδώ και δεκαετίες ότι τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν χημικά στοιχεία για να συντονίσουν τη συμπεριφορά τους. Το πιο γνωστό παράδειγμα, που διευκρίνισε η Bonnie Bassler του Πανεπιστημίου του Πρίνστον και άλλοι, είναι η ανίχνευση απαρτίας, μια διαδικασία με την οποία τα βακτήρια εξωθούν τα μόρια σηματοδότησης έως ότου μια αρκετά υψηλή συγκέντρωση πυροδοτήσει τα κύτταρα να σχηματίσουν ένα βιοφίλμ ή να ξεκινήσουν κάποια άλλη συλλογική συμπεριφορά.
Αλλά ο Süel και άλλοι επιστήμονες ανακαλύπτουν τώρα ότι τα βακτήρια στα βιοφίλμ μπορούν επίσης να συνομιλούν μεταξύ τους ηλεκτρικά. Τα βιοφίλμ φαίνεται να χρησιμοποιούν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια για να οργανώσουν και να συγχρονίσουν δραστηριότητες σε μεγάλες εκτάσεις. Αυτή η ηλεκτρική ανταλλαγή έχει αποδειχθεί τόσο ισχυρή που τα βιοφίλμ τη χρησιμοποιούν ακόμη και για να στρατολογήσουν νέα βακτήρια από το περιβάλλον τους και για να διαπραγματευτούν με γειτονικά βιοφίλμ για την αμοιβαία ευημερία τους.
«Πιστεύω ότι αυτές είναι αναμφισβήτητα οι πιο σημαντικές εξελίξεις στη μικροβιολογία τα τελευταία δύο χρόνια», δήλωσε ο Ned Wingreen, ένας βιοφυσικός που ερευνά την ανίχνευση απαρτίας στο Πρίνστον. "Μαθαίνουμε για έναν εντελώς νέο τρόπο επικοινωνίας."
Τα βιοφίλμ ήταν ήδη ένα καυτό θέμα όταν ο Süel άρχισε να επικεντρώνεται σε αυτά ως νεαρός καθηγητής που προσλήφθηκε στο Σαν Ντιέγκο το 2012. Αλλά πολλά γι 'αυτά ήταν ακόμα μυστήρια, συμπεριλαμβανομένου του πώς τα μεμονωμένα βακτήρια εγκαταλείπουν την ελευθερία τους και εγκαθίστανται σε μεγάλες, σταθερές κοινωνίες. Για να αποκτήσουν πληροφορίες, ο Süel και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν βιοφίλμ του Bacillus subtilis , ένα κοινώς μελετημένο βακτήριο σε σχήμα ράβδου, και τα παρατηρούσε για ώρες με εξελιγμένα μικροσκόπια. Σε ταινίες time-lapse, είδαν βιομεμβράνες να επεκτείνονται προς τα έξω έως ότου τα κύτταρα στο εσωτερικό κατανάλωσαν τα διαθέσιμα αποθέματα του γλουταμινικού αμινοξέος, το οποίο τα βακτήρια χρησιμοποιούν ως πηγή αζώτου. Τότε τα βιοφίλμ θα σταματούσαν να διαστέλλονται μέχρι να αναπληρωθεί το γλουταμινικό. Ο Süel και οι συνεργάτες του έγιναν περίεργοι για το πώς τα εσωτερικά βακτήρια έλεγαν στα εξωτερικά κύτταρα πότε να διαιρεθούν και πότε να χαλαρώσουν.
Η ανίχνευση απαρτίας ήταν ο προφανής ύποπτος. Αλλά ο Süel, ο οποίος ήταν εκπαιδευμένος στη φυσική, υποψιαζόταν ότι κάτι περισσότερο από τη διάχυση χημικών αγγελιαφόρων λειτουργούσε στον Bacillus του. αποικίες. Εστίασε στα κανάλια ιόντων - εξειδικευμένα μόρια που φωλιάζουν στις εξωτερικές μεμβράνες των κυττάρων και μεταφέρουν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια μέσα και έξω. Τα κανάλια ιόντων είναι πιθανώς πιο διάσημα για το ρόλο τους στα νευρικά κύτταρα ή νευρώνες. Τις περισσότερες φορές, οι νευρώνες αντλούν ιόντα νατρίου, τα οποία φέρουν ένα μόνο θετικό φορτίο, και αφήνουν έναν διαφορετικό αριθμό ιόντων καλίου, επίσης με μεμονωμένα θετικά φορτία. Η προκύπτουσα ανισορροπία φορτίου λειτουργεί σαν νερό που συσσωρεύεται πίσω από ένα φράγμα. Όταν μια ηλεκτρική ώθηση τραντάζει τη μεμβράνη ενός νευρώνα, ανοίγουν εξειδικευμένα κανάλια για να επιτρέψουν στα συγκεντρωμένα ιόντα να πλημμυρίσουν μέσα και έξω, ανοίγοντας ουσιαστικά τις πύλες του φράγματος. Αυτή η ανταλλαγή διαδίδεται κατά μήκος του νευρώνα, δημιουργώντας τα ηλεκτρικά «δυναμικά δράσης» που μεταφέρουν πληροφορίες στον εγκέφαλο.
Ο Süel γνώριζε ότι τα βακτήρια αντλούν επίσης ιόντα στις μεμβράνες τους, και αρκετές πρόσφατες δημοσιεύσεις είχαν αναφέρει αιχμές ηλεκτρικής δραστηριότητας σε βακτήρια που έμοιαζαν τουλάχιστον ελάχιστα με εκείνες που βρίσκονται στον εγκέφαλο. Θα μπορούσαν επίσης τα βακτήρια να χρησιμοποιούν τον μηχανισμό δυναμικού δράσης για τη μετάδοση ηλεκτρικών σημάτων; αναρωτήθηκε.
Αυτός και οι συνάδελφοί του αντιμετώπισαν βιομεμβράνες στο εργαστήριό τους με φθορίζοντες δείκτες που ενεργοποιούνται από ιόντα καλίου και νατρίου και ο δείκτης καλίου άναψε καθώς τα ιόντα έβγαιναν από τα λιμοκτονούντα κύτταρα. Όταν τα ιόντα έφτασαν σε κοντινά κύτταρα, αυτά τα κύτταρα απελευθέρωσαν επίσης κάλιο, αναζωογονώντας το σήμα. Το σήμα έρεε προς τα έξω με αυτόν τον τρόπο μέχρι να φτάσει στην άκρη του βιοφίλμ. Και ως απόκριση στο σήμα, τα ακραία κύτταρα σταμάτησαν να διαιρούνται έως ότου τα εσωτερικά κύτταρα μπορούσαν να πάρουν ένα γεύμα, μετά το οποίο σταμάτησαν να απελευθερώνουν κάλιο.
Η ομάδα του Süel στη συνέχεια δημιούργησε μεταλλαγμένα βακτήρια χωρίς κανάλια καλίου και διαπίστωσαν ότι τα κύτταρα δεν αναπτύχθηκαν με τον ίδιο τρόπο διακοπής-εκκίνησης. (Οι ερευνητές δεν είδαν επίσης καμία κίνηση επισημασμένων ιόντων νατρίου στα πειράματά τους.) Όπως οι νευρώνες, τα βακτήρια χρησιμοποιούν προφανώς ιόντα καλίου για να διαδώσουν ηλεκτρικά σήματα, ανέφεραν ο Süel και οι συνεργάτες του στο Nature το 2015.
Παρά τους παραλληλισμούς με τη νευρική δραστηριότητα, ο Süel τονίζει ότι τα βιοφίλμ δεν είναι απλώς σαν τον εγκέφαλο. Τα νευρικά σήματα, τα οποία βασίζονται σε κανάλια νατρίου ταχείας δράσης εκτός από τα κανάλια καλίου, μπορούν να εκπέμπονται με φερμουάρ πάνω από 100 μέτρα ανά δευτερόλεπτο - μια ταχύτητα που είναι κρίσιμη για να επιτρέψει στα ζώα να συμμετάσχουν σε εξελιγμένες συμπεριφορές ταχείας κίνησης, όπως το κυνήγι. Τα κύματα καλίου στον Bacillus εξαπλώνεται με τον συγκριτικά ρυθμό της χελώνας των μερικών χιλιοστών την ώρα. «Βασικά, παρατηρούμε μια πρωτόγονη μορφή δυναμικού δράσης σε αυτά τα βιοφίλμ», είπε ο Süel. «Από μαθηματική άποψη είναι και οι δύο ακριβώς το ίδιο. Απλώς το ένα είναι πολύ πιο γρήγορο."
Βακτηριακή εκπομπή
Ωστόσο, ο Süel και οι συνεργάτες του είχαν περισσότερες ερωτήσεις σχετικά με αυτό το ηλεκτρικό σήμα. Όταν το κύμα της ηλεκτρικής δραστηριότητας που καθοδηγείται από το κάλιο φτάσει στην άκρη ενός βιοφίλμ, η ηλεκτρική δραστηριότητα μπορεί να σταματήσει, αλλά το νέφος των ιόντων καλίου που απελευθερώνονται στο περιβάλλον συνεχίζει. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές αποφάσισαν να εξετάσουν τι συμβαίνει όταν το κύμα καλίου αφήσει ένα βιοφίλμ.
Η πρώτη απάντηση ήρθε νωρίτερα φέτος σε ένα Κύτταρο χαρτί, στο οποίο έδειξαν ότι ο Βάκιλλος Τα βακτήρια φαίνεται να χρησιμοποιούν ιόντα καλίου για να στρατολογήσουν κύτταρα ελεύθερης κολύμβησης στην κοινότητα. Παραδόξως, τα βακτήρια προσέλκυσαν όχι μόνο άλλους Βάκιλλους , αλλά και άσχετα είδη. Τα βακτήρια, φαίνεται, μπορεί να έχουν εξελιχθεί για να ζουν όχι μόνο σε μονοκαλλιέργειες αλλά σε διαφορετικές κοινότητες.
Λίγους μήνες αργότερα, στο Science , η ομάδα του Süel έδειξε ότι με την ανταλλαγή σημάτων καλίου, δύο Βάκιλλοι Τα βιοφίλμ μπορούν να «μοιράζονται χρόνο» θρεπτικά συστατικά. Σε αυτά τα πειράματα, δύο βακτηριακές κοινότητες έτρωγαν εναλλάξ γλουταμινικό, επιτρέποντας στα βιοφίλμ να καταναλώνουν τα περιορισμένα θρεπτικά συστατικά πιο αποτελεσματικά. Ως αποτέλεσμα αυτής της κοινής χρήσης, τα βιοφίλμ αναπτύχθηκαν πιο γρήγορα από ό,τι θα μπορούσαν να έχουν αν τα βακτήρια είχαν φάει όσο περισσότερο μπορούσαν χωρίς διακοπή. Όταν οι ερευνητές χρησιμοποίησαν βακτήρια με κανάλια ιόντων που είχαν τροποποιηθεί για να δίνουν ασθενέστερα σήματα, τα βιοφίλμ, που δεν ήταν πλέον σε θέση να συντονίσουν την τροφή τους, αναπτύχθηκαν πιο αργά.
Οι ανακαλύψεις του Süel σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο τα βακτήρια επικοινωνούν ηλεκτρικά έχουν ενθουσιάσει τους ερευνητές των βακτηρίων.
«Νομίζω ότι είναι μια από τις πιο ενδιαφέρουσες εργασίες σε όλη τη βιολογία αυτή τη στιγμή», δήλωσε ο Moh El-Naggar, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια. Ο El-Naggar μελετά πώς τα βακτήρια μεταφέρουν ηλεκτρόνια χρησιμοποιώντας εξειδικευμένους λεπτούς σωλήνες, τους οποίους ονομάζει νανοσύρματα. Παρόλο που αυτή η μεταφορά θα μπορούσε επίσης να θεωρηθεί μια μορφή ηλεκτρικής επικοινωνίας, ο El-Naggar λέει ότι στο παρελθόν, θα «έβαζε φρένο» εάν κάποιος πρότεινε ότι τα βακτήρια συμπεριφέρονται παρόμοια με τους νευρώνες. Από τότε που διάβασε την εργασία του Süel το 2015, άλλαξε τη σκέψη του. «Πολλοί από εμάς ανυπομονούμε να δούμε τι θα βγει από αυτό», είπε.
Για την Gemma Reguera, μικροβιολόγο στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, οι πρόσφατες αποκαλύψεις ενισχύουν ένα επιχείρημα που έχει από καιρό προβάλλει στους συνομηλίκους της βιολόγους:ότι τα φυσικά σήματα όπως το φως, ο ήχος και ο ηλεκτρισμός είναι τόσο σημαντικά για τα βακτήρια όσο και τα χημικά σήματα. "Ίσως [το εύρημα του Süel] να βοηθήσει την επιστημονική κοινότητα και [άνθρωπους] εκτός της επιστημονικής κοινότητας να αισθάνονται πιο ανοιχτοί για άλλες μορφές φυσικής επικοινωνίας" μεταξύ των βακτηρίων, είπε ο Reguera.
Μέρος αυτού που ενθουσιάζει τους ερευνητές είναι ότι η ηλεκτρική σηματοδότηση μεταξύ των βακτηρίων δείχνει σημάδια ότι είναι πιο ισχυρή από την χημική μεσολάβηση της απαρτίας. Τα χημικά σήματα έχουν αποδειχθεί κρίσιμα για τον συντονισμό ορισμένων συλλογικών συμπεριφορών, αλλά γρήγορα αραιώνονται και σβήνουν μόλις βρεθούν πέρα από την άμεση γειτνίαση με τα βακτήρια που εκπέμπουν το σήμα. Αντίθετα, όπως ανακάλυψε η ομάδα του Süel, τα σήματα καλίου που απελευθερώνονται από τα βιοφίλμ μπορούν να ταξιδεύουν με σταθερή ισχύ για περισσότερο από 1.000 φορές το πλάτος ενός τυπικού βακτηριακού κυττάρου - και ακόμη και αυτό το όριο είναι ένα τεχνητό άνω όριο που επιβάλλεται από τις μικρορευστικές συσκευές που χρησιμοποιούνται στο πειράματα. Η διαφορά μεταξύ της ανίχνευσης απαρτίας και της σηματοδότησης καλίου μοιάζει με τη διαφορά μεταξύ της κραυγής από μια κορυφή βουνού και της διεθνούς τηλεφωνικής κλήσης.
Επιπλέον, οι χημικές ουσίες επιτρέπουν την επικοινωνία μόνο με κύτταρα που έχουν συγκεκριμένους υποδοχείς συντονισμένους σε αυτά, σημείωσε ο Wingreen. Το κάλιο, ωστόσο, φαίνεται να είναι μέρος μιας παγκόσμιας γλώσσας που μοιράζονται ζωικοί νευρώνες, φυτικά κύτταρα και —οι επιστήμονες βρίσκουν όλο και περισσότερο— βακτήρια.
Μια καθολική χημική γλώσσα
«Προσωπικά έχω βρει [θετικά φορτισμένα κανάλια ιόντων] σε κάθε μονοκύτταρο οργανισμό που έχω κοιτάξει ποτέ», είπε ο Steve Lockless, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο A&M του Τέξας που ήταν συνεργάτης του Süel στο μεταπτυχιακό. Τα βακτήρια θα μπορούσαν έτσι να χρησιμοποιήσουν το κάλιο για να μιλήσουν όχι μόνο μεταξύ τους αλλά και με άλλες μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένων ίσως των ανθρώπων, όπως υπέθεσε ο Lockless σε ένα σχόλιο στην εργασία του Süel το 2015. Έρευνες έχουν δείξει ότι τα βακτήρια μπορούν να επηρεάσουν την όρεξη ή τη διάθεση των ξενιστών τους. Ίσως τα κανάλια καλίου βοηθούν στην παροχή αυτού του καναλιού επικοινωνίας μεταξύ του βασιλείου.
Το γεγονός ότι τα μικρόβια χρησιμοποιούν κάλιο υποδηλώνει ότι πρόκειται για μια αρχαία προσαρμογή που αναπτύχθηκε πριν τα ευκαρυωτικά κύτταρα που αποτελούν τα φυτά, τα ζώα και άλλες μορφές ζωής αποκλίνουν από τα βακτήρια, σύμφωνα με τον Jordi Garcia-Ojalvo, καθηγητή βιολογίας συστημάτων στο Πανεπιστήμιο Pompeu Fabra. στη Βαρκελώνη που παρείχε θεωρητική μοντελοποίηση για να υποστηρίξει τα πειράματα του Süel. Για το φαινόμενο των διακυτταρικών επικοινωνιών, είπε, το βακτηριακό κανάλι «μπορεί να είναι ένας καλός υποψήφιος για τον εξελικτικό πρόγονο της όλης συμπεριφοράς».
Τα ευρήματα αποτελούν «ένα πολύ ενδιαφέρον έργο», είπε ο Τζέιμς Σαπίρο, ένας βακτηριδιακός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Ο Shapiro δεν φοβάται τις τολμηρές υποθέσεις:Έχει υποστηρίξει ότι οι βακτηριακές αποικίες μπορεί να είναι ικανές για μια μορφή γνώσης. Αλλά προσεγγίζει τις αναλογίες μεταξύ νευρώνων και βακτηρίων με προσοχή. Οι συμπεριφορές με τη μεσολάβηση του καλίου που έχει δείξει ο Süel μέχρι στιγμής είναι αρκετά απλές ώστε να μην απαιτούν τον τύπο των εξελιγμένων εγκεφάλων κυκλωμάτων, είπε ο Shapiro. "Δεν είναι σαφές ακριβώς πόση επεξεργασία πληροφοριών γίνεται."
Ο Süel συμφωνεί. Αλλά προς το παρόν ενδιαφέρεται λιγότερο να ποσοτικοποιήσει το περιεχόμενο πληροφοριών των βιοφίλμ παρά να αποκαλύψει τι είναι ικανά άλλα βακτήρια. Προσπαθεί τώρα να δει αν τα βιοφίλμ διαφορετικών βακτηριακών ειδών μοιράζονται χρόνο με τον τρόπο που τα βιοφίλμ του καθαρού Bacillus κάνω.
Θέλει επίσης να αναπτύξει αυτό που αποκαλεί «ηλεκτροφυσιολογία βακτηριακών βιοφίλμ»:τεχνικές για τη μελέτη της ηλεκτρικής δραστηριότητας στα βακτήρια απευθείας, με τον τρόπο που οι νευροεπιστήμονες έχουν ερευνήσει τον εγκέφαλο για δεκαετίες. Εργαλεία σχεδιασμένα για βακτήρια θα ήταν ένα μεγάλο όφελος, είπε η Elisa Masi, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Φλωρεντίας στην Ιταλία, η οποία χρησιμοποίησε ηλεκτρόδια σχεδιασμένα για νευρώνες για να ανιχνεύσει την ηλεκτρική δραστηριότητα στα βακτήρια. «Μιλάμε για κύτταρα που είναι πραγματικά, πολύ μικρά», είπε. "Είναι δύσκολο να παρατηρήσετε τη μεταβολική τους δραστηριότητα και δεν υπάρχει συγκεκριμένη μέθοδος" για τη μέτρηση των ηλεκτρικών τους σημάτων.
Ο Süel και οι συνάδελφοί του αναπτύσσουν τώρα τέτοια εργαλεία ως μέρος μιας επιχορήγησης 1,5 εκατομμυρίων δολαρίων από το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes, το Ίδρυμα Bill and Melinda Gates και το Ίδρυμα Simons (το οποίο εκδίδει το Quanta ).
Τα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να οδηγήσουν σε νέα είδη αντιβιοτικών ή τεχνολογιών εμπνευσμένων από βακτήρια, είπε ο Süel, αλλά τέτοιες εφαρμογές απέχουν χρόνια. Η πιο άμεση ανταμοιβή είναι ο ενθουσιασμός της επανάστασης για άλλη μια φορά στις αντιλήψεις μας για τα βακτήρια. «Είναι εκπληκτικό πώς έχει εξελιχθεί η κατανόησή μας για τα βακτήρια τις τελευταίες δύο δεκαετίες», είπε ο El-Naggar. Είναι περίεργος για το πόσο καλά λειτουργεί η σηματοδότηση του καλίου σε πολύπλοκες, γεμάτες ιόντα φυσικά περιβάλλοντα, όπως ο ωκεανός. «Τώρα σκεφτόμαστε [τα βακτήρια] ως κύριους του χειρισμού ηλεκτρονίων και ιόντων στο περιβάλλον τους. Είναι πολύ, πολύ μακριά από τον τρόπο που τους θεωρούσαμε πολύ απλοϊκούς οργανισμούς."
«Βήμα προς βήμα διαπιστώνουμε ότι όλα αυτά που πιστεύουμε ότι τα βακτήρια δεν κάνουν, τα κάνουν στην πραγματικότητα», είπε ο Wingreen. "Μας εκτοπίζει από το βάθρο μας."
