Бактерии «обговорили» очередность питания издалека

Арсенал биологических систем включает в себя разные стратегии адаптации к истощению общих ресурсов. Наиболее распространенная из них — разделение времени — заключается в том, что особи, в том числе конкурирующие, временно координируют очередность восполнения запасов энергии. Известно, что у бактерий такие контакты могут опосредоваться чувством кворума и электрическими сигналами в пределах биопленки. Однако то, способны ли микроорганизмы «обсуждать» график питания на удалении, оставалось неясным. Чтобы выяснить это, ученые из Университета Калифорнии в Сан-Диего и Университета Помпеу Фабра провели эксперимент с двумя биопленками сенной палочки (Bacillus subtilis).

Согласно гипотезе, для успешной координации очередности биопленки должны были не только взаимодействовать, но и дистанционно синхронизировать свою активность. Авторы культивировали колонии B. subtilis на противоположных сторонах микрожидкостной камеры, разделив их расстоянием в два миллиметра. Затем они моделировали нехватку ресурсов, сокращая уровень глутамата в питательной среде: на этапе роста глутамат как источник азота поглощался со скоростью 24 микрометра в секунду. Взаимодействие микроорганизмов оценивалось по флуоресцентному красителю тиофлавину Т (ThT), свечение которого указывало на изменение мембранного потенциала в пределах биопленки.

Фазово-контрастная микроскопия показала, что в условиях голода биопленки стабильно синхронизируют темпы роста и электрической активности со средним сдвигом фаз 0,06 ± 0,07 пи. Чтобы проверить, как колебания активности и синхронизация связаны с содержанием глутамата, ученые построили математическую модель. Согласно итогам, понижение соли в среде на 25 процентных пунктов усиливает противофазные осцилляции и конкуренцию биопленок, вследствие чего их рост замедляется. Причем одна из биопленок в произвольном порядке инициирует замедление раньше, позволяя другой продолжать питание. Рост глутамата, напротив, уменьшает разность фаз.

На втором этапе исследователи вывели штамм бактерий с дефектным геном gltA, который в норме кодирует глутаматсинтазу — фермент, необходимый для синтеза глутамата. Взаимодействие таких биопленок позволяло оценить зависимость противофазы от количества пищи: по сравнению с диким штаммом мутантные микроорганизмы должны испытывать более высокую конкуренцию. Наблюдения подтвердили, что при базовом уровне глутамата биопленки с дефектным геном не могут «договориться» — для этого потребовалось искусственно повысить долю глутамата в среде на 25 процентных пунктов. Таким образом, динамика синхронизации оказалась зависима от силы конкуренции и объема ресурсов.

Статья опубликована в журнале Science.

Нарушение чувства кворума нередко рассматривается учеными как способ борьбы с патогенами. Так, ранее стало известно, что «замолчать» синегнойную палочку заставляет клюква, а метициллинрезистентный золотистый стафилококк теряет «дар речи» перед бразильским перцем.