https://thermofisher.com/russiapromos
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Бактерии развиваются как эмбрионы?

Бактерии развиваются как эмбрионы?

  • 253
  • 0,0
  • 0
  • 1
Добавить в избранное print
Новость

Кадр из видео развития биопленки из обсуждаемой статьи

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Как-то так повелось, что бактерии традиционно рассматриваются как одноклеточные организмы. Еще и подчеркивается снисходительно: вот, не сумели за столько миллиардов лет изобрести многоклеточность, не то что эукариоты! Действительно, у прокариот нет многоклеточности в привычном нам понимании. Однако многие из них живут в тесных сообществах — биопленках, где отношения между отдельными клетками во многом напоминают отношения внутри многоклеточного организма. Коллектив ученых из Хорватии задался вопросом: если бактериальные биопленки имеют черты «многоклеточности», то, может быть, и их развитие тоже чем-то схоже с развитием многоклеточного эмбриона?

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.


BiotechClub

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.


SkyGen

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Бактерии не любят одиночество

Обычно бактерии воспринимаются как отдельные клетки, однако в природе большинство из них не любят одиночество. Бактерии растут и развиваются в тесных сообществах — биопленках. Жизнь в биопленке дает много разных преимуществ: тебя сложнее съесть, легче противостоять изменениям окружающей среды, а от соседних клеток поступает важная информация. В биопленке могут сосуществовать несколько разных видов бактерий, чьи метаболизмы объединены в единую систему. Продукты жизнедеятельности одного вида служат субстратом питания для другого. Бактерии внутри биопленки координируют свое существование, общаются друг с другом и выполняют разную работу. Некоторые клетки даже могут благородно погибнуть, пожертвовав собой на благо остальных бактерий. Действительно, очень похоже на единый организм! А если так, то можно говорить об онтогенезе биопленки. Онтогенез — это индивидуальное развитие организма. Авторы статьи Embryo-like features in developing Bacillus subtilis biofilms [1] исследовали онтогенез биопленки на генетическом уровне и провели некоторые параллели между ее развитием и развитием многоклеточного организма.

Онтогенез биопленок схож с эмбриональным развитием

В ходе онтогенеза меняется уровень активности генов: одни гены включаются, другие замолкают. Предыдущие исследования показывают, что в трех группах многоклеточных эукариот — животных, растениях и грибах — имеются сходные программы включения и выключения генов, хотя эти организмы имеют очень отдаленное родство, и многоклеточность возникала у них независимо [2]. Посмотрев на эту универсальность, авторы предложили смелую гипотезу: а что если что-то подобное есть и в бактериальных пленках? Что если развитие «многоклеточных» бактерий подчиняется тем же законам, что и развитие эмбрионов?

Объектом исследования выбрали бактерию сенную палочку — Bacillus subtilis. Это повсеместно встречающийся организм, который как раз имеет признаки «многоклеточности» — дифференцировку клеток, разделение труда, межклеточную сигнализацию и даже запрограммированную гибель клеток [3].

Видео. Развитие биопленки Bacillus subtilis в течение 14 дней

[1] (видео S3)

Чтобы определить изменение в активности генов, ученые отбирали пробы из разных временных точек: начиная от самого зарождения биопленки и до возраста двух месяцев. Анализ включил 4316 генов (это примерно 96% всех генов сенной палочки). Оказалось, что по активности генов исследуемый период можно разбить на три части (рис. 1): ранний (6 часов — 1 день), средний (3–7 дней) и поздний (1–2 месяца), между которыми находятся промежуточные периоды в 2–14 дней. Оказалось, что 99% исследуемых генов (4263) в разные периоды активны по-разному. Чтобы убедиться в своей правоте, авторы исключили те гены, активность которых изменялась слабо (меньше, чем в два раза). И все равно получались впечатляющие цифры: больше половины всех генов отличались активностью в разные периоды онтогенеза биопленки.

Развитие биопленки

Рисунок 1. По активности генов развитие биопленки можно разделить на три стадии: раннюю, среднюю и позднюю

Получается, что в ходе развития биопленки есть дискретные стадии, которые отличаются по набору активных генов — прямо как у эмбрионов.

Биопленки и эволюция

Бактерии — древнейшие организмы на Земле, и их эволюция, скорее всего, шла именно в бактериальных пленках [4]. Поэтому авторы попытались понять, как динамика включения генов может быть связана с эволюцией биопленки. Они определяли эволюционный возраст генов, которые работают на разных стадиях. Исследование показало удивительную вещь: на ранних стадиях работают самые древние гены, на средних включаются средние по возрасту, а на поздних стадиях работают самые молодые (рис. 2). Получается, что здесь справедливо говорить о повторении филогенеза (исторического развития) в онтогенезе на молекулярном уровне.

Индекс TAI

Рисунок 2. Индекс TAI (transcriptome age index, индекс возраста транскриптома) отражает эволюционный возраст генов, включающихся на разных стадиях онтогенеза биопленки. Чем выше TAI, тем моложе ген. На ранних стадиях активны наиболее старые гены, на средних стадиях включаются более молодые гены, на поздних стадиях работают самые молодые гены.

Идея повторения филогенеза в онтогенезе не нова, ее сформулировал Эрнест Геккель еще в XIX веке. Геккель полагал, что в разных стадиях развития эмбриона повторяется морфология взрослых предковых форм, начиная с самой ранней. Эта гипотеза очень красива, но в такой формулировке «в лоб» принимать ее некорректно. Однако она дала пищу для размышлений в области изучения молекулярных связей онтогенеза и филогенеза.

Прямо говорить о том, что гены в онтогенезе включаются в порядке их эволюционного возникновения, не совсем правильно. Известны гены, которые являются более древними, но при этом включаются в эмбриональном развитии позже (для животных это, например, Hox-гены [5]). Однако, судя по полученным данным, развитие биопленок напрямую отражает эволюцию генов. Они здесь включаются по порядку старшинства, от самого древнего до самого молодого — как они возникали в ходе эволюции.

Кроме установления порядка включения генов, авторы заметили еще одну крайне важную вещь. Гены «многоклеточности» — ответственные за взаимодействия между клетками сами довольно древние и активно транскрибируются в ранней и средней стадиях развития биопленки. Древность генов «многоклеточности» подтверждает, что ранняя эволюция бактерий происходила именно в биопленках. Об этом говорят и палеонтологические данные — найдены останки биопленок возрастом несколько миллиардов лет [6]. Возможно, бактерии с самого начала развивались не как отдельные клетки, а как части единого «организма». Авторы отмечают, что «распространенное представление о первой жизни как об одноклеточном и свободноживущем организме нуждается в переосмыслении».

Другие любопытные вопросы, которые ждут ответов

Развитие эмбрионов животных характеризуется не только изменением работы генов во времени, но и пространстве. Поэтому следующий логический шаг — изучить работу генов биопленки «в 3D». Биопленки демонстрируют различия в клетках в разных своих частях, и исследование генов в пространстве поможет понять, как именно формируются эти различия.

Еще один интересный, но пока оставшийся без ответа вопрос — как взаимодействуют разные виды внутри одной биопленки. Биопленку из B. subtilis в этом исследовании выращивали в «тепличных условиях» — на строго контролируемой среде, не допуская рост других микроорганизмов. В природе биопленки обычно образованы не одним, а несколькими видами бактерий, что наверняка накладывает отпечаток на работу их генов. Поэтому заманчиво было бы посмотреть на биопленку в «диких условиях». Надеемся, что дальнейшие исследования авторов обсуждаемой статьи и других ученых прольют свет на эти и другие вопросы.

Литература

  1. Momir Futo, Luka Opašić, Sara Koska, Nina Čorak, Tin Široki, et. al.. (2021). Embryo-Like Features in Developing Bacillus subtilis Biofilms. Molecular Biology and Evolution. 38, 31-47;
  2. Stefan A. Rensing. (2016). (Why) Does Evolution Favour Embryogenesis?. Trends in Plant Science. 21, 562-573;
  3. James A. Shapiro. (1998). THINKING ABOUT BACTERIAL POPULATIONS AS MULTICELLULAR ORGANISMS. Annu. Rev. Microbiol.. 52, 81-104;
  4. Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией;
  5. Гены, от которых вырастают крылья. И ноги. И всё остальное;
  6. Emmanuelle J. Javaux. (2019). Challenges in evidencing the earliest traces of life. Nature. 572, 451-460.

Комментарии