Бактерии используют разные стратегии деления для выживания в условиях стресса
В лабораторных условиях многие бактерии делятся симметрично. Однако в реальном мире с ограниченными ресурсами условия редко бывают идеальными для такого тщательно спланированного роста.
Новое исследование учёных из Чикагского университета показывает, как цианобактерии (бактерии, производящие энергию посредством фотосинтеза, подобно растениям) меняют способ роста и деления в ответ на разный уровень освещённости. При типичных условиях освещения клетки остаются относительно короткими и делятся симметрично. Но при тусклом свете клетки становятся длиннее и делятся асимметрично, в результате чего образуются две дочерние клетки разной длины. Исследователи полагают, что это может быть стратегией выживания, выработанной в ходе эволюции.
«В реальном мире большинство бактерий живут в условиях ограниченного роста и скудных ресурсов, лишь изредка получая "глоток" того, что могут съесть», — сказал Майкл Раст, доктор философии, старший автор исследования. — «Вероятно, эволюция отбирает способность долго переносить голод и максимально эффективно использовать эти редкие ресурсы».
В новом исследовании, представленном на обложке последнего выпуска журнала Cell Systems, Раст и И Ляо, доктор философии, использовали покадровую съёмку для отслеживания деления клеток Synechococcus elongatus. Исследователи увидели, что в условиях тусклого света, вызывающего стресс у клеток, S. elongatus вырастают длиннее обычного. Когда свет снова включают, клетки короче восьми микрометров всё ещё делятся симметрично, но при большей длине деление становится неравномерным, обычно образуя одну короткую (около трёх микрометров) и одну длинную дочернюю клетку.
У многих бактерий положение, в котором материнская клетка делится на две, контролируется так называемой Min-системой — группой белков, движущихся внутри клетки. В типичной короткой клетке один из белков, MinC, скапливается на одном конце, а затем каждые несколько минут перемещается на противоположный конец. Двигаясь туда-сюда, белки MinC проводят больше времени на концах и меньше — в середине клетки. Поскольку MinC ингибирует деление клетки, это колебание создаёт своего рода слабое место в середине, где клетка может разделиться.
Чтобы выяснить, ответственна ли Min-система и за асимметричное деление в длинных клетках, Ляо и Раст пометили белок MinC флуоресцентным маркером. Они обнаружили, что Min-система демонстрирует разные паттерны в зависимости от длины клетки. В коротких клетках белки сохраняли характерный колебательный паттерн, но в длинных клетках они формировали разнообразные динамические паттерны, включая многополосные колебания, бегущие волны и другие более сложные структуры. Во всех этих паттернах в длинных клетках область без MinC всегда наблюдалась примерно в трёх микрометрах от конца клетки, что позволяло клеткам делиться не по центру и производить короткую дочернюю клетку определённого размера.
«Мы думаем, паттерны меняются из-за геометрической чувствительности системы, что позволяет ей адаптироваться к изменяющемуся размеру клетки», — сказал Ляо. — «Способность формировать эти разные паттерны позволяет и коротким клеткам делиться симметрично, и длинным клеткам производить короткие дочерние клетки».
Раст и Ляо отметили, что они не уверены, почему бактерии делятся на клетки разной длины в стрессовых условиях и даёт ли один размер преимущество перед другим. Возможно, меньшие клетки лучше маневрируют в поисках ресурсов. Удлинение может давать клетке большую площадь поверхности для поглощения света в тусклых условиях. Есть даже свидетельства, что длина является защитным механизмом для патогенов, поскольку иммунной клетке сложнее поглотить очень длинную бактериальную клетку.
Так или иначе, понимание того, как бактерии растут и делятся в реальных условиях, может помочь в разработке стратегий применения антибиотиков. Например, клеткам может требоваться определённая длина, чтобы заразить кого-то, или они просто удлиняются и не делятся, чтобы пережить трудные времена. Исследователи могли бы использовать это в своих интересах, разработав способы вмешательства в Min-систему и нарушения бактериальных уловок для выживания.
«Существует целый скрытый мир биологии в субоптимальных условиях», — сказал Раст. — «Мы можем понять, как организмы растут и процветают в трудных обстоятельствах, что может раскрыть новые правила поведения жизни».