Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

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

---

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

---

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

---

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

---

«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].

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.

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.

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.