Граница между искусством и наукой иногда бывает расплывчатой. Ученые, изучающие социальную бактерию, непреднамеренно воссоздали нечто, очень похожее на знакомый шедевр. Когда определенный ген сверхэкспрессируется в бактерии, известной как Myxococcus xanthus , отдельные организмы самоорганизуются в крошечные круговые рои в течение нескольких часов.
После того, как образовавшиеся рои будут искусственно окрашены, сцена станет удивительно похожей на « Звездную ночь» Ван Гога.
Смесь двух штаммов миксобактерий, один из которых сверхэкспрессирует TraAB (желтый), а другой — неадгезивный и нереверсивный (синий) при увеличении в 10 раз. (Д. Уолл / Университет Вайоминга)
«Наша работа подчеркивает, как социальные бактерии, известные богатыми источниками лечебных натуральных продуктов и агентами биоконтроля сельскохозяйственных культур, служат мощной моделью для изучения возникающих форм поведения, которые также демонстрируют художественную красоту», — говорит микробиолог Дэниел Уолл из Университета Вайоминга.
Звездная ночь. (Винсент Ван Гог / Wikimedia Commons / Public Domain)
Бактерии имеют репутацию эгоистов, но M. xanthus описывается как социальная бактерия, поскольку для выживания ей необходимо найти и распознать родственников.
После образования больших семейных скоплений эта палочковидная бактерия намного лучше атакует свою жертву, чтобы получить пищу. Каждая клетка производит пищеварительные ферменты, облегчающие кормление хищников .
В 2017 году Уолл и его коллеги объявили об открытии единого генетического «переключателя», ответственного за включение и выключение этого группового поведения.
Переключатель специально контролирует последовательность белка, известную как TraA, которая обеспечивает поверхностный рецептор для бактерии, чтобы распознавать и прикрепляться к рецептору-партнеру TraB.
После того, как бактерия приклеится к «члену семьи» через эти два рецептора (TraAB), она может обмениваться питательными веществами и белками с остальной частью группы.
Лабораторные исследования показывают, что когда рой сталкивается с пищей, организмы могут объединять свои ферменты и метаболиты вместе через эти связи, чтобы нанести наиболее мощный удар своей жертве.
Но все это изменилось, когда команда заставила мутантные бактерии сверхэкспрессировать соединения TraAB. Эта связь в первую очередь позволяет клеткам слипаться, но когда этого «социального клея» слишком много, рой не может так легко распасться, чтобы изменить свою форму или направление.
Миксобактерии из штамма, который сверхэкспрессирует TraAB (зеленый), и штамма, который не является адгезивным и необратимым (красный) при увеличении в 4 раза. (Уолл / Университет Вайоминга)
«В нормальных клетках дикого типа они движутся вперед и назад, вперед и назад, как пригородный поезд, — объясняет биоинженер Олег Игошин, сотрудник Университета Райса. — Голова становится хвостом, а хвост становится головой. И они делают это каждые 8 минут или около того».
Сверхэкспрессия TraAB, однако, по-видимому, мешает рою переключать голову на хвост и наоборот.
Это то, что предлагали вычислительные модели, но авторы все еще не могли понять, почему. Насколько они знали, TraAB-соединение не участвовало напрямую в регулировании движений роя, только его липкость. В конце концов, команда заподозрила, что липкость TraB косвенно мешает рою клеток менять направление.
«Наша идея заключалась в том, что, возможно, между клетками существует какой-то контактно-зависимый сигнал, который подавляет инверсию, — объясняет Игошин. — Клетки находятся в плотных группах и постоянно контактируют с другими, но эти контакты временны. Но если сверхэкспрессия TraAB действительно делает вас липкими, ваш сосед останется вашим соседом дольше, и это может вызвать сигнал, подавляющий развороты».
Два штамма миксобактерий, которые сверхэкспрессируют разные типы рецепторов TraA (красный и зеленый), которые прикрепляются друг к другу, но не друг к другу. (Д. Уолл / Университет Вайоминга)
Запустив этот сценарий на вычислительных моделях, авторы смогли проверить свою догадку. Только с изменениями в соединении TraAB обычные рои «голова к хвосту» внезапно превратились в вращающиеся вихри ячеек размером до миллиметра и более.
Дальнейшие эксперименты в лаборатории подтвердили, что то же самое происходило и с бактериями в реальной жизни. В частности, завихрения могут возникать, когда штамм чрезмерно проявляет липкость, но также и тогда, когда штамм генетически модифицирован, чтобы быть прямо «необратимым».
Результатом является не только лучшее понимание того, как миллионы клеток координируют свои движения, но и завораживающая картина микробного мира.
Исследование было опубликовано в mSystems .
16.12.2021
Елена Краснова
Нет комментариев