Промежуточное звено
Примером социальной бактерии может послужить Myxococcus xanthus, которая привлекла внимание ученых в качестве потенциального бактериофага, поскольку является «хищником» – поедает другие микроорганизмы и не представляет опасности для человека. Эта почвенная бактерия организуется в трехмерные структуры, состоящие из тысяч единиц и дополнительного клеточного материала, который удерживает их вместе, словно клей. M. xanthus способна производить мощные антибиотики, которые убивают другие виды бактерий, и ферменты, разлагающие белки такой «добычи» на небольшие сегменты. Отдельные бактерии не могут продуцировать достаточное количество этих веществ, чтобы эффективно убивать свою жертву, поэтому они охотятся вместе, как группа, наподобие стаи волков.
Когда пищи много, эти бактерии живут и перемещаются в скоординированных скоплениях, называемых рябью, выделяя антибиотики и ферменты в окружающую среду, чтобы убить свою жертву и переварить ее вне своей структуры, прежде чем поглотить питательные вещества. Когда же пищи недостаточно, M. xanthus принимает другую форму, образуя насыпи спор, называемых плодоносящими телами. В таком виде они могут выживать в течение длительного времени, пока внешние условия не улучшатся. И если отдельные споры могли бы не продержаться, их скопления имеют все шансы выжить. Такой способ организации бактерий ученые считают промежуточным звеном между самой примитивной, одноклеточной формой жизни и многоклеточными организмами.
На двоих одно дыхание
Чудеса кооперации демонстрируют и опасные для человека бактерии, например Campylobacter jejuni, которая может заражать курятину и сыры и вызывать серьезные пищевые отравления. Эти микроорганизмы чувствительны к количеству окружающего их кислорода. Они относятся к микроаэрофильным бактериям, т.е. нуждаются в небольших количествах О2. Если в лабораторных условиях оставить их в открытой пробирке, кампилобактерии просто умрут. Однако им удается не только выживать, но и успешно размножаться на поверхности продуктов питания. Как же это происходит?
Недавнее исследование показало, что C. jejuni помогают окружающие бактерии, в частности Pseudomonas putida. Эти два типа бактерий объединяются в союз, скрепленный своеобразными обручальными кольцами – длинными волокнообразными структурами, назначение которых пока не совсем понятно. Возможно, они используются для химической связи или просто поддерживают физический контакт между бактериями.
В ходе экспериментов, в которых ученые пытались выращивать эти бактерии как вместе, так и по отдельности, было установлено, что без своего напарника кампилобактерии гибнут. Дело в том, что P. putida являются аэробами, т.е. при дыхании они поглощают кислород и создают вокруг себя микроокружение с его пониженным содержанием. В эту среду естественным образом мигрируют C. jejuni, для которых большое количество кислорода смертельно опасно.
Сильный помогает слабому
Одно из самых интересных исследований социальной жизни бактерий провели ученые из Университета Копенгагена (Дания). В течение нескольких лет они наблюдали за разными микроорганизмами, живущими в условиях ограниченного пространства на листообразных обвертках, окружающих початки кукурузы. Чтобы понять, в какой степени бактерии конкурируют или сотрудничают, исследователи регулярно измеряли биопленку – толщину слоя их колонии, состоящей из разных клеток и скрепляющей их слизи. Существование в структуре биопленки защищает членов этой «колонии» от внешних угроз.
Когда бактерии были здоровы и сильны, они производили больше биопленки, которая становилась все прочнее и эластичнее. Ученые предположили, что на этом этапе должен сработать постулат теории Дарвина о том, что выживает сильнейший. Иными словами, более мощная бактериальная культура в какой-то момент должна была вытеснить все остальные из биопленки. Однако ученые обнаружили, что этого не происходит: раз за разом лидеры оставляли место для своих более слабых соседей, позволяя им также расти и развиваться. Более того, обнаружилось, что, работая в команде, бактерии действуют более эффективно, вырабатывая на 300% больше биопленки, чем по одиночке, а также умеют вызывать у своих соседей полезные для всех признаки, которые в противном случае не проявились бы. Таким образом, группы бактерий могут иметь совершенно иные свойства, чем отдельные и изолированные штаммы.
Ты – мне, я – тебе
Около двух десятилетий назад исследователи обнаружили организмы, живущие глубоко под землей – на расстоянии более мили (1,6 тыс. км) от поверхности. Там нет солнечного света и практически нет кислорода, поэтому, чтобы выжить, эти бактерии сотрудничают. Изучение их жизни на алмазных рудниках в Южной Африке оказалось непростой задачей не только из-за того, что ученым приходилось работать в сложных условиях на экстремальной глубине, но и из-за очень низкой концентрации биомассы. Чтобы получить материал для исследования, геомикробиологу из Принстонского университета (США) Мэгги Лау пришлось отфильтровать около 87 тыс. литров воды на большой глубине. Впрочем, эти усилия оправдались. Ей удалось найти пары бактериальных культур, в которых каждая потребляет вещества, производимые «напарницей». Этот тип перекрестного кормления, который называется синтрофией, помогает микроорганизмам выживать в суровых условиях. Например, бактерии, поедающие сульфат, производят сульфид. Этот сульфид становится источником пищи для других бактерий, которые производят сульфат и завершают цикл. Другая бактериальная пара может окислять и восстанавливать метан. Таким образом, объединяясь, бактерии могут использовать более широкий спектр источников энергии, что позволяет сделать среду их обитания стабильнее и разнообразнее.
Вопреки известному постулату теории Дарвина о том, что выживают сильнейшие, в среде бактерий преимущество – за самыми дружественными видами.
Перекрестная защита
Синтрофия является частным случаем мутуализма – явления, при котором разные виды получают выгоду от взаимодействия друг с другом, в том числе и для защиты от антибиотиков. Новое исследование Массачусетского технологического института (США) обнаружило, что два штамма бактерий, каждый из которых устойчив к одному антибиотику, могут защищать друг друга в среде, содержащей оба препарата.
Исследователи сосредоточились на двух штаммах кишечной палочки, один из которых вырабатывает ферменты, разрушающие ампициллин, а другой – ферменты, разрушающие хлорамфеникол. В ходе своих экспери- ментов ученые разделяли бактериальную популяцию каждый день, переводя около 1% из нее в новую пробирку, в которую также добавляли антибиотики. Оказалось, что хотя общий размер колонии оставался примерно одинаковым, относительное содержание каждого штамма менялось почти на 1000% в течение трех дней. Так, если устойчивый к ампициллину штамм был более распространенным в начале цикла, он быстро дезактивировал ампициллин в окружающей среде, позволяя расти своему соседу –штамму,устойчивому к хлорамфениколу. Когда последний разрастался настолько, что мог деактивировать большую часть хлорамфеникола, снова начиналось активное размножение бактерий, устойчивых к ампициллину и т.д. При низких концентрациях антибиотиков подобные колебания могли продолжаться бесконечно, но более высокие дозы лекарств все-таки дестабилизировали популяцию и в конечном счете разрушали ее. Такие наблюдения являются важным шагом к разработке новых антибиотиков, особенно против резистентных штаммов опасных бактерий.
