Исследование микробных популяций в условиях длительного голодания, проведенное профессором Университета Индианы Джеем Т. Ленноном и его лабораторией, может помочь ученым ответить на вопросы, касающиеся хронических инфекций и функционирования бактерий в окружающей среде.
В статье, опубликованной 12 августа в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Леннон и его коллеги рассказывают о своем исследовании около 100 популяций различных бактерий в закрытых системах, которые не имели доступа к внешней пище в течение 1 000 дней. Специалисты проследили, насколько долго они смогли просуществовать, и выяснилось, что почти все они выжили.
"Более важный вопрос состоит в том, как бактерии выживают в течение длительных периодов ограничения энергии, имеет отношение к пониманию хронических инфекций у людей и других хозяев, а также связан с тем, как некоторые патогены могут переносить воздействие лекарств, таких как антибиотики", - отметил в интервью Science Daily Леннон.
Многие бактериальные инфекции трудно поддаются лечению, в частности, потому, что лекарственные препараты часто предназначены для воздействия на клеточный механизм метаболически активных клеток. Бактерии с ограниченным количеством энергии часто переходят в состояние спячки, что делает их менее чувствительными к лекарствам, говорит Леннон. Патогены не только могут сохраняться в таких условиях, но и развивать резистентность к антибиотикам, усугубляя проблему.
Микроорганизмы также играют важную роль в окружающей среде. Бактерии в исследовании были получены из сельскохозяйственных почв. По словам Леннона, в этих средах обитания микроорганизмы формируют симбиотические отношения с растениями и осуществляют процессы, необходимые для функционирования экосистем, такие как связывание углерода, круговорот питательных веществ и выбросы парниковых газов.
Главный и нерешенный вопрос заключается в том, как миллиарды микробных клеток и тысячи микробных таксонов сосуществуют в одном грамме почвы, часто в суровых условиях окружающей среды. Одно из объяснений, поддерживаемых исследованием, заключается в том, что микроорганизмы, по-видимому, хорошо приспособлены к условиям "пир или голод", когда ресурсы могут быть в дефиците в течение длительного времени. Это может помочь объяснить, как сложные микробные сообщества сохраняются в течение долгого времени.
В исследовании Леннон и его коллеги предположили, что бактерии, которые являются самыми быстроразмножающимися организмами на планете, также могут быть чрезвычайно долгоживущими. Леннон и его коллеги подсчитали, что бактерии с ограниченным энергопотреблением могут иметь продолжительность жизни, которая может соперничать, а в некоторых случаях и превосходить продолжительность жизни растений и животных. В исследовании использовался анализ выживаемости, который позволил установить, что время существования некоторых популяций достигает 100 000 лет.
"Очевидно, что эти предсказания выходят далеко за рамки того, что можно измерить", - сказал Леннон, - "но цифры согласуются с возрастом жизнеспособных бактерий, которые были извлечены из древних материалов, таких как янтарь, кристаллы галита, вечная мерзлота и отложения на дне глубочайших океанов".
Сохранение жизнеспособности микроорганизмов в таких условиях, вероятно, связано со спячкой и другими механизмами, сохраняющими энергию. Например, Леннон и его коллеги обнаружили, что выживание клеток в замкнутой системе поддерживалось способностью бактерий "утилизировать" своих мертвых сородичей.
В таких скудных условиях, когда клетки должны выживать за счет исчезающе малого количества пищи, Леннону и его группе было интересно узнать, как бактерии могут эволюционировать. Они выявили гены, находящиеся под действием отрицательного отбора, но также признаки положительного отбора, которые указывают на тайный рост, позволяющий увеличивать частоту новых мутаций. Этот вывод позволяет предположить, что переработка мертвых клеток может способствовать адаптивной эволюции. Такие наблюдения важны для понимания ограничений в фундаментальных биологических процессах, учитывая, что большая часть планеты имеет ограниченное количество энергии.
William R. Shoemaker et al. Динамика микробных популяций и эволюционные процессы при экстремальном ограничении энергии (аннотация).
Микроорганизмы обычно обитают в экосистемах с ограниченным количеством энергии, где поддержание и размножение клеток сильно ограничено. Чтобы получить представление о том, как особи сохраняются в таких условиях, мы вывели демографические параметры коллекции из 21 гетеротрофного бактериального таксона путем учета 100 популяций в эффективно закрытой системе в течение 1000 дней. Все таксоны, кроме одного, пережили длительную нехватку ресурсов, что дало расчетное время до вымирания, варьирующее на четыре порядка величины от 100 до 105 лет.
Наши результаты подтверждают сообщения о долгоживущих бактериях, извлеченных из древних образцов окружающей среды, и в то же время дают представление о механизмах сохранения жизни. Поскольку уровень смертности со временем снижался, продолжительность жизни продлевалась за счет утилизации мертвых клеток. Хотя размножение было подавлено в отсутствие экзогенных ресурсов, популяции продолжали развиваться. Были приобретены сотни мутаций, что способствовало появлению геномных признаков очищающего отбора, а также молекулярных механизмов адаптации.
Последовательная экологическая и эволюционная динамика указывает на то, что отдаленно родственные бактерии реагируют на ограничение энергии сходным и предсказуемым образом, что, вероятно, способствует стабильности и долговечности микробной жизни.
