Количественная биология открывает путь к экологическим исследованиям и эволюционным предсказаниям

Новые исследования движения бактерий E. coli в ответ на химические стимулы (хемотаксис), опубликованные в виде двух статей в Nature (6 ноября 2019 г.), показали, что научное сообщество мало понимало, как бактерии перемещаются как группа.

Организованное освоение территорий

В первой работе группа под руководством профессора Теренса Хва из UC San Diego показала, что хемотаксис позволяет бактериальным популяциям осуществлять высокоэффективный режим организованного исследования незанятых окружающих территорий. Исследователи обнаружили, что бактерии запускают исследование, активно растя в своей текущей благоприятной среде, а не когда питательные вещества заканчиваются, как считалось ранее.

Используя высокоскоростные микроскопы, ученые наблюдали за расширяющимся «роевым кольцом» бактерий. Они выяснили, что в кольце находятся бактерии-первопроходцы, которые реплицируются по мере миграции, оставляя за собой след из потомства. Эти бактерии не мигрируют дальше, а реплицируются на своих местах, в конечном итоге заполняя все пространство внутри кольца.

Ключевым открытием стало понимание роли хемоаттрактантов. Команда показала, что сильные хемоаттрактанты не являются хорошими источниками питательных веществ для бактерий. Они наиболее эффективны в низких дозах вместе с хорошими питательными веществами, выступая скорее как «аромат», а не как еда. Низкие уровни хемоаттрактантов формируются бактериями-первопроходцами в градиент, который направляет процесс исследования, устанавливая направление и повышая скорость движения популяции.

Этот навигационный режим исследования, заселения и репликации сравнивается с ненаправленным процессом «расширения ареала». Поскольку популяция распространяется быстрее и дает больший прирост при навигационном исследовании, авторы предполагают, что этот процесс может широко использоваться в природе, далеко за пределами бактериального мира.

Быстрее — не обязательно лучше

Во второй статье, основанной на выводах первой, Хва и Кремер с коллегами из Китайской академии наук изучили эволюционные основы стратегии навигационного исследования.

В ходе экспериментов по лабораторной эволюции, отбирая E. coli, успешно колонизирующие среды обитания разного размера, исследователи изучили преимущества хемотаксических бактерий с разной скоростью движения на разных расстояниях от стартовой позиции.

Результаты показали, что более высокая скорость не всегда дает преимущество. Хотя более быстрые штаммы имеют преимущества на больших расстояниях, более медленные штаммы выгодны на меньших расстояниях. Это позволило команде обнаружить ограничение между скоростью расширения популяции и размером среды обитания, которую эта популяция может успешно колонизировать — это просто размер, которого расширяющийся фронт популяции может достичь за несколько времен репликации.

Это ограничение отражает необходимую координацию между скоростью расширения и скоростью роста популяции, необходимой для успешной колонизации вновь обретенных сред обитания. Если расширение происходит быстрее, чем способность организмов реплицироваться на новой территории, они в конечном итоге потеряют свои права на эту землю, даже если заняли ее первыми.

Предложенное ограничение было количественно подтверждено в повторных эволюционных экспериментах в разных средах обитания. Количественное предсказание результата эволюционных экспериментов встречается редко, и успех этих исследований может открыть путь к более эффективным подходам к исследованию эволюционных процессов в будущем.