Несмотря на свои крошечные размеры, бактерии в своей среде обитания не являются беспомощными и неподвижными.
Как и многие другие живые организмы, бактерии передвигаются (с помощью жгутиков или пилей) и ориентируются в окружающей среде, чтобы найти пищу, укрыться от хищников и других опасностей, а также найти себе сородичей для образования сообществ. Но одно дело — уметь двигаться, а совсем другое — знать, куда двигаться. Хотя у бактерий нет ни одного из органов чувств, которые мы используем для восприятия окружающего мира, они могут ощущать химические градиенты в своей среде. Эти сигналы помогают им двигаться к источникам пищи или другим клеткам своего вида, либо уходить от опасностей, таких как токсины. Это восприятие и реакция в виде движения называется хемотаксисом.
Хемотаксис осуществляется через рецепторы, встроенные в мембрану бактериальной клетки, которые связывают молекулы в окрестностях и посылают сигналы об окружающей среде белкам, влияющим на направление вращения жгутиков — позволяя клетке менять направление (вращение по часовой стрелке у E. coli) или держать курс (вращение против часовой стрелки у E. coli) — или вытягивать и втягивать пили — позволяя клеткам «подергиваться» вдоль твердой поверхности. При движении к источнику благоприятного химического градиента, также называемого хемоаттрактантом, E. coli использует прямолинейное движение жгутиков для продвижения к источнику и уменьшает свое «кувыркание», чтобы предотвратить резкие изменения направления.
Движение, основанное на внешних сигналах, играет важную роль во многих средах, и бактерии развили сложный набор хемотаксических механизмов, позволяющих точно настраивать это поведение в соответствии с различными условиями. Например, в открытом океане пищу бывает трудно найти и бактериям часто приходится заниматься ее поиском. Бактерии обычно используют жгутики для активного перемещения (плавания) в жидкой среде в поисках очагов питательных веществ.
Плавание требует много энергии, что может быть энергоемким в таких средах, таких как открытый океан, где голодание часто является нормой. Исследования стратегий бактериального питания показали, что клетки по-разному реагируют на голодание — некоторые рискуют продолжать плавать и искать питательные вещества, в то время как другие останавливаются и становятся неподвижными, чтобы сэкономить энергию до тех пор, пока условия не улучшатся. По-видимому, у этого стратегического выбора есть генетическая основа, что указывает на то, что такие факторы, как способность справляться с окислительным стрессом или образовывать биопленки, могут быть связаны с тем, решит ли конкретный микроорганизм плавать или остановиться.
Плавающие бактерии ориентируются с помощью хемотаксиса, следуя химическим сигналам, исходящим от «очагов» ресурсов, таких как фитопланктон, который выделяет питательные вещества в окружающую среду. Эти «горячие точки» ресурсов, по-видимому специально привлекают бактерии, способные вступать во взаимовыгодные симбиотические отношения с фитопланктоном. В то время как фитопланктон выделяет питательные вещества, которые могут потреблять бактерии, бактерии, плывущие к фитопланктону, также, как правило, производят метаболиты, которые фитопланктон может использовать для роста, а также соединения, помогающие фитопланктону усваивать такой важный микроэлемент как железо.
Помимо пользы для отдельных бактерий, перемещающихся по океану, хемотаксис бактерий к очагам питательных веществ имеет более широкие последствия для морских экосистем. В океане разложение бактериями сложных органических веществ, часто связанных в агрегаты, известные как «морской снег», является важным этапом в глобальном углеродном цикле. Разложение выступает в качестве критического узла в морском углеродном цикле, определяя, вернется ли углерод в цикл путем включения в бактериальную биомассу или будет секвестрирован в глубоководных слоях океана, если сможет опуститься до самого дна. Реагируя на химические сигналы движением, бактерии существенно увеличивают свои шансы найти эти очаги питательных веществ и изменить судьбу содержащегося в них углерода.
Хемотаксис также может помочь бактериям найти своих «друзей» и объединиться в плотные слои, известные как биопленки. Биопленки играют важную роль в здоровье и заболеваниях человека, растений и животных. Например, они могут способствовать развитию антимикробной резистентности и помогать патогенам уклоняться от иммунных реакций организма или же способствовать формированию здорового микробиома корней растений. В любом случае образование биопленок основано на хемотаксисе.
Процесс образования биопленки особенно хорошо изучен на примере Pseudomonas aeruginosa — известного условно-патогенного микроорганизма, способного вызывать пневмонию и другие инфекции путем образования биопленок, которые трудно уничтожить. Эта грамотрицательная палочковидная бактерия использует для образования биопленки твичинг-мобильность, опосредованную выдвижением и втягиванием пилей. Сначала пили помогают бактериальным клеткам прикрепляться к поверхностям и «подниматься» по другим бактериальным клеткам на вершину формирующегося холма биопленки. Отдельные клетки P. aeruginosa также используют хемоаттрактанты для ориентации на ранних стадиях развития биопленки, когда они еще ищут лучшее место, где, вероятно, будет много питательных веществ.
У растений хемотаксис используется для привлечения бактерий из окружающей почвы к корням. Этот процесс привлечения имеет основополагающее значение для формирования у растения здорового микробиома корней, который помогает растению аккумулировать питательные вещества и переносить стрессовые условия. Растения выделяют через корни сложный набор молекул, которые в совокупности называются корневыми экссудатами — некоторые из этих молекул, такие как аминокислоты и определенные сахара, могут действовать как хемоаттрактанты, привлекая близлежащие почвенные бактерии в корневую среду.
Растения могут контролировать состав своей корневой микробиоты с помощью экссудатов, привлекая полезные бактерии и одновременно пытаясь отпугнуть патогенные. Это делает корневые экссудаты и хемотаксис интересным направлением для сельскохозяйственных исследований. Например, ученые изучают способы улучшения формирования и поддержания здоровых корневых микробиомов у сельскохозяйственных растений. Со стороны растений выработку экссудатов можно регулировать, чтобы способствовать привлечению полезных бактерий, а со стороны бактерий распознавание и хемотаксическая реакция на определенные корневые экссудаты могут быть усилены с помощью генетических подходов.
Вместо того чтобы просто плыть по течению, многие бактерии активно перемещаются по окружающей среде, используя химические сигналы для определения направления движения. Эти процессы важны для выживания отдельных клеток, для здоровья человека и даже глобальных биогеохимических циклов. Продолжение изучения того, как передвижение бактерий формирует взаимодействие микроорганизмов с окружающим миром и взаимодействие человека с микробами, может привести к множеству новых открытий, имеющих огромную ценность.
