Разделение труда в пробирке: бактерии растут быстрее, если кормят друг друга

Исследователи из Исследовательской группы экспериментальной экологии и эволюции Института химической экологии Макса Планка и их коллеги из Йенского университета имени Фридриха Шиллера (Германия) пришли к выводу, что разделение труда эффективнее, чем борьба за существование без помощи других. Это справедливо и для микроорганизмов.

Учёные работали с бактериями, дефицитными по производству определённой аминокислоты и поэтому зависящими от партнёра, который предоставляет недостающее питательное вещество. Бактериальные штаммы, которые дополняли потребности друг друга, обмениваясь необходимыми аминокислотами, показали увеличение приспособленности примерно на 20% по сравнению с недефицитным штаммом без партнёра. Этот результат помогает объяснить, почему кооперация — такая распространённая модель успеха в природе.

Синтетическая экология: моделирование экологических параметров в пробирке

Для изучения такой кооперации учёные использовали синтетическую модель. Бактерии Escherichia coli были генетически модифицированы таким образом, что один штамм не мог производить определённую аминокислоту (например, триптофан), но производил все другие аминокислоты в высоких концентрациях. Если этот штамм растёт в культуре с другим штаммом, неспособным производить аргинин (другую аминокислоту), оба штамма могут кормить друг друга.

Удивительно, но такие эксперименты с совместным культивированием показали, что рост этих бактериальных клеток увеличился на 20% по сравнению с немодифицированным диким штаммом, который мог самостоятельно производить все незаменимые аминокислоты. Неспособность дефицитного штамма производить незаменимую аминокислоту положительно влияла на его рост при наличии партнёра, компенсирующего эту потерю.

Это объясняется значительно сниженными энергетическими затратами, которые оба штамма должны были вкладывать в производство обмениваемых аминокислот. Специализация на производстве определённых, но не всех необходимых аминокислот сделала бактериальные клетки более эффективными и привела к более быстрому росту. Интересно, что два кооперирующих, обменивающихся аминокислотами штамма даже вытеснили самодостаточный дикий штамм.

Результаты исследований из лаборатории Кристиана Коста иллюстрируют, почему симбиотические отношения с бактериями так распространены. В ходе эволюции ассоциация может стать настолько тесной, что мутуалистические партнёры сливаются в новый многоклеточный организм.