"Бактериальная полиция" борется с тунеядцами

Не только представителям рода человеческого приходиться бороться с обманщиками и тунеядцами. Бактерии тоже делают это, причем, как выяснилось достаточно эффективно. Это подтверждают исследования американских ученых, которые открыли у микроорганизмов любопытную стратегию борьбы с "жуликами", названную ими "бактериальной полицией".

Фото: Фото: AP

"Правда. Ру" уже писала о том, что и микроорганизмы склонны к обману (подробнее об этом читайте в статье "Все лгут! Даже животные…"). Что же тут поделать, жизнь бывает весьма сурова даже к таким крошкам, а оставить потомство хочется каждому. В ряде случаев стратегия, когда одни бактерии не "работают" (то есть, не выделяют ферменты, разлагающие питательный субстрат), но едят, бывает эволюционно выгодной — ведь быстро размножающиеся обманщики все-таки поддерживают численность всей колонии на необходимом уровне. Однако если численность тунеядцев превысит некий предел, то это будет грозить популяции вырождением — кто же будет добывать питательные вещества из субстрата, если большая часть бактерий предпочитает не вырабатывать ферменты?

Недавно исследователи из Университета Индианы (США) обнаружили своеобразную защитную систему колоний микроорганизмов, которая работает именно в похожих ситуациях, касающихся, правда, не совместного питания, а совместного выживания в неблагоприятных условиях. Они назвали ее в шутку "бактериальной полицией". Конечно же, речь идет не об особой касте бактерий, окрашенных в синий цвет, которые, испуская душераздирающие звуки, патрулируют колонию, вылавливая тунеядцев. Скорее, это некоторая стратегия, которая позволяет сообществу регулировать их численность.

Американские биологи исследовали поведение членов колонии микроорганизмов Myxococcus xanthus. Эти бактерии, обитающие в почве, интересны тем, что при наступлении неблагоприятных условий, склонны собираться в многочисленные колонии, чем-то напоминающие мицелии низших грибов. Члены этих колоний совместными усилиями разрушают питательный субстрат, а питаются они органикой, как мертвой, так и живой, то есть могут нападать и на колонии других бактерий.

Фото: AP

Было замечено, что общение внутри сообщества происходит посредством химических сигналов. Интересно, что если условия окружающей среды становятся ну совсем уж неблагоприятными, то в химических сигналах происходят изменения, и миксобактерии сообща формируют так называемое плодовое тело часть. При этом часть клеток служит просто структурным каркасом, который может погибнуть, допустим, при голодании, а часть превращается в споры, способные переждать проблемные времена.

Недавние наблюдения британских микробиологов показали, что чаще всего тунеядцы начинают проявлять себя именно при процессе формирования плодового тела. Делают они это следующим образом — каким-то непонятным пока образом воруют сигнальные вещества, вырабатываемые "честными" особями, которые заставляют клетку обманщика превращаться в спору, а не становиться частью каркаса. В результате подобные "жулики" с большей вероятностью переживают неблагоприятные условия в виде спор, тогда как "честные работяги", составляющие основу каркаса, гибнут, не оставив потомков.

Несложно догадаться, что эта стратегия ведет к катастрофе, поскольку если новая колония будет состоять только из "жуликов" (как выяснили ученые, у миксобактерий потомки в большинстве случаев наследуют поведенческие стереотипы родителей), то при следующем изменении условий она непременно погибнет. Однако если толпа потомков "обманщиков" будет хотя бы немножко разбавлена отпрысками честных тружеников, то популяция имеет шанс выжить.

Учтя результаты исследований своих британских коллег, микробиологи из Университета Индианы поставили интересный эксперимент. Они смешивали в различных пропорциональных соотношениях потомков "честных" миксобактерий с детьми "жуликов", после чего заставляли получившиеся колонии голодать. Делалось это для того, что бы заставить микроорганизмы сформировать плодовые тела. После того, как это происходило, учёные добавляли в питательную среду антибиотик, избирательно убивавший обманщиков, но оставлявший в живых "честных тружеников" (у которых, в отличие от тунеядцев, сопротивляемость к нему была на несколько порядков выше).

Согласно статье, содержащей подробное описание результатов этого эксперимента, которая была опубликована в журнале PNAS, каждый раз проводилось около двадцати циклов спорообразования. При этом ученые старались понять, имеется ли у бактерий какой-нибудь механизм, способный противостоять действиям "жуликов". И, как выяснилось, таковой у них действительно есть.

Было замечено, что в ситуации, когда "честных" клеток и "жуликов" было в колонии примерно поровну, то первые вдруг начинали активно делиться, увеличивая таким образом число потенциальных образователей спор. Также удалось установить, что продуктивность следующего поколения "честных" была выше, чем продуктивность их родителей, а также обманщиков из обоих поколений. Получается, что они, образно говоря, "брали числом".

Фото: AP

Более того, когда в одной колонии смешивали "честных" предков, которые формировали споры, "честных" потомков, которые вышли из этих спор, и "нечестный" штамм, то в таком сообществе исходные "честные" клетки производили намного больше спор, чем если бы они находились один на один с "жульническим" штаммом. При этом, что любопытно, "жуликов", судя по всему, ничем не травили, поскольку никаких токсинов, выделяемых "честными" бактериями, обнаружено не было. Однако, судя по всему, потомки "честных" все-таки выделяли какое-то вещество, заставляющее их родителей усиленно размножаться.

А вот потомки "жуликов" этого делать не могли, даже в той ситуации, когда сообщество было образовано из предков "жуликов", потомков "жуликов", и небольшой группы "честных" одного возраста. Исходя из этого, исследователи предположили, что у обманщиков, судя по всему, имеется комплекс взаимосвязанных мутаций, в результате которых они утратили способность сами выделять вещества, стимулирующие размножение. При этом те стимуляторы, которые выделяли "честные", на них почему-то не действовали — возможно, был также утрачен и рецепторный комплекс, способный распознавать эти сигналы.

Проанализировав результаты эксперимента, учёные поставили себе цель в ближайшем будущем расшифровать молекулярные механизмы этой "бактериальной полиции". Они считают, что данное исследование поможет понять один из механизмов заставляют возникновения желудочно-кишечный заболеваний, при котором в симбиотической микрофлоре внезапно возникает некий "жулик". Этот обманщик разрушает устоявшиеся социальные взаимоотношения, в результате чего большинство окружающих его симбионтов быстро превращаются в патогенные формы (подобное не раз наблюдали у штаммов всем известной кишечной палочки Escherichia coli). Они предполагают, что, возможно, наши крошечные сожители так же умеют запускать механизм "бактериальной полиции". И если это так, то есть возможность разработать препарат на основе их сигнальных веществ, принятие которого внутрь поможет им делать это более оперативно.