Между самыми распространенными фотосинтезирующими бактериями в океане вырастают сети нанотрубочек, что говорит о том, что мир гораздо более взаимосвязан, чем принято считать.
Бактерии Prochlorococcus настолько малы, что для того, чтобы сравняться с толщиной ногтя большого пальца человека, нужно выстроить в ряд около тысячи таких бактерий. Океан кишит ими: эти микробы, вероятно, являются самыми распространенными фотосинтезирующими организмами на планете, и они создают значительную часть - от 10 до 20% - кислорода в атмосфере. Это означает, что жизнь на Земле зависит от примерно 3 октиллионов (или 3 × 1027) крошечных индивидуальных клеток, которые работают.
Когда-то биологи считали эти организмы изолированными странниками, дрейфующими в бескрайних океанских просторах. Но популяция прохлорококков может быть более взаимосвязанной, чем кто-либо мог себе представить. Возможно, они ведут диалоги на больших расстояниях, не только наполняя океан информационными и питательными потоками, но и связывая то, что мы считали их личным внутренним пространством, с внутренним пространством других клеток.
Не так давно в Университете Кордовы (Испания) биологи, снимавшие цианобактерии под микроскопом, увидели клетку, которая вытянулась в длинную тонкую трубку и ухватилась за своего соседа. Это зрелище заставило их напрячься. Их осенило, что это не случайность. «Мы поняли, что цианобактерии связаны друг с другом, - рассказывает микробиолог Мария дель Кармен Муньос-Марин. Были обнаружены связи между клетками прохлорококков, а также с другими бактериями, Synechococcus, которые часто живут рядом. На снимках серебристые мостики соединяли три, четыре, а иногда 10 и более клеток.
Муньос-Марин догадывалась о том, что представляют собой эти загадочные структуры. После целого ряда тестов она и ее коллеги недавно сообщили, что эти мостики - бактериальные нанотрубки. Бактериальные нанотрубки, впервые обнаруженные у обычных лабораторных бактерий всего 14 лет назад, представляют собой структуры из клеточной мембраны, которые позволяют питательным веществам и ресурсам перетекать между двумя или более клетками. Эти структуры вызывали восхищение и споры в течение последнего десятилетия и микробиологи пытались понять, что вызывает их образование и что именно перемещается между этими объединенными в сеть клетками. Изображения, полученные в лаборатории Муньос-Марин, впервые позволили увидеть эти структуры в цианобактериях, ответственных за большую часть фотосинтеза на Земле.
Результаты ставят под сомнение фундаментальные представления о бактериях, поднимая такие вопросы, как: насколько интенсивно Prochlorococcus взаимодействуют с окружающими их клетками? И действительно ли имеет смысл считать их и другие бактерии одноклеточными?
Многие бактерии ведут активную социальную жизнь. Некоторые из них образуют пили - волосовидные выросты, которые связывают две клетки и позволяют им обмениваться ДНК. Некоторые образуют биопленки. А многие испускают крошечные пузырьки, называемые везикулами, которые содержат ДНК, РНК или другие химические вещества, как послания в бутылке для любой клетки, случайно перехватившей их. Именно везикулы искали Муньос-Марин и ее коллеги, включая Хосе Мануэля Гарсию-Фернандеса, микробиолога из Университета Кордовы, когда они увеличивали изображение прохлорококка и синехококка. Когда они увидели то, что, как они предполагали, было нанотрубками, это стало для них сюрпризом.
Между этими бактериями (слева - Prochlorococcus, справа - Bacillus subtilis) растут мостики из нанотрубок, по которым клетки переносят такие вещества, как аминокислоты и ферменты. Фото: слева: Sci. Adv. 10, eadj1539 (2024); справа: Cell 144, 590-600 (2011).
Нанотрубочки - недавнее дополнение к пониманию учеными коммуникации между бактериями. В 2011 году Сигал Бен-Йехуда и коллеги из Еврейского университета Иерусалима впервые опубликовали изображения крошечных мостиков, состоящих из мембран, между бактериями Bacillus subtilis. Эти трубки активно транспортировали вещества: исследователи показали, что зеленые флуоресцентные белки, произведенные в одной клетке сети, быстро проникали в другие. Тот же результат они обнаружили с кальцеином - небольшой молекулой, которая не способна самостоятельно пересекать бактериальные мембраны. Эти клетки не существовали мирно бок о бок; их внутренние пространства были связаны между собой, больше напоминая комнаты в доме, чем отдельные жилища.
Это было поразительное открытие. Новость заставила других биологов пересмотреть свои собственные представления о клетках. Вскоре выяснилось, что B. subtilis не единственный вид, производящий нанотрубки. В популяциях кишечной палочки и многих других бактерий были обнаружены небольшие, но устойчивые фракции клеток с нанотрубочками. В экспериментах ученые наблюдали, как клетки отращивают трубочки, а затем исследовали, что они в себе несут. По этим мостикам от клетки к клетке перемещались такие вещества, как аминокислоты, а также ферменты и токсины.
Не всем удалось заставить бактерии создавать нанотрубки. Примечательно, что группа из Чешской академии наук смогла увидеть нанотрубки только тогда, когда клетки умирали. Их предположение о том, что трубочки являются «проявлением клеточной смерти», заставило усомниться в том, что эти структуры действительно являются важной частью нормальной биологии клеток. Однако с тех пор были проведены дополнительные работы, которые тщательно задокументировали, что здоровые клетки действительно выращивают эти структуры. Все это говорит о том, что для того, чтобы бактерии пошли на такой шаг, должны быть соблюдены определенные условия. Тем не менее, «я думаю, что они есть везде», - считает Бен-Йехуда.
Последние результаты особенно впечатляют, потому что прохлорококки и синехококки - это не обычные лабораторные бактерии. Они живут в уникальной неспокойной среде - открытом океане, где движение воды вполне может привести к разрушению хрупких трубочек. Более того, они фотосинтезируют, то есть получают большую часть необходимых для выживания веществ от солнца. Для чего им нужна система связей через трубочки? Нанотрубки были обнаружены и в морских бактериях, но эти микробы не фотосинтезируют - они поглощают питательные вещества из окружающей среды, и такой образ жизни, при котором обмен веществами с соседями может принести более очевидную пользу. Поэтому, когда Муньос-Марин и коллеги увидели свои нанотрубки, они поначалу были настроены скептически. Они хотели убедиться, что не приняли за естественную структуру какую-то случайность, связанную с подготовкой клеток или с тем, как были сделаны снимки.
«Мы потратили много времени, чтобы убедиться, что то, что мы обнаружили на снимках, действительно является чем-то физиологическим, а не каким-то артефактом», - говорит Гарсия-Фернандес. «Результаты были настолько неожиданными в области морских цианобактерий, что мы, с одной стороны, были поражены, а с другой - хотели быть полностью уверенными».
Они исследовали клетки с помощью четырех радикально разных устройств для визуализации - не только трансмиссионного электронного микроскопа, который они использовали, когда впервые заметили эти структуры, но и флуоресцентного микроскопа, сканирующего электронного микроскопа и проточного цитометра, который фиксирует живые клетки. Исследователи рассматривали прохлорококки и синехококки по отдельности и в культурах, где они жили вместе. Они рассматривали мертвые и живые клетки, исследовали свежие образцы морской воды и во всех образцах они обнаружили мостики, которые соединяли около 5% клеток. Нанотрубки не выглядели артефактами.
Затем, чтобы проверить, действительно ли эти связи являются нанотрубками, ученые провели уже ставшие каноническими эксперименты с зеленым флуоресцентным белком и кальцеином, описанные Бен-Йехудой. Объединенные в сеть клетки засветились. Исследователи также подтвердили, что связи действительно состоят из мембранных липидов, а не из белка, что позволило бы предположить наличие пилей. В итоге они убедились, что перед ними бактериальные нанотрубки. Эти трубочки соединяют одни из самых распространенных организмов на планете, поняли они. И это сразу же прояснило кое-что, что исследователи до сих пор пытаются переосмыслить. «В начале этого века, когда вы говорили о фитопланктоне в океане, вы думали о независимых клетках, которые изолированы», - говорит Гарсия-Фернандес. «Но теперь - и не только благодаря этим результатам, но и результатам, полученным другими учеными, - я думаю, мы должны учитывать, что эти ребята работают не в одиночку».
Возможно, есть веская причина, по которой цианобактерии, плавающие в бескрайних просторах океана, хотят объединить свои усилия. По мнению Кристиана Коста, микробиолога из Университета Оснабрюка (Германия), который не принимал участия в этом исследовании, у них очень маленькие геномы. У прохлорококка самый маленький геном среди всех известных свободноживущих фотосинтезирующих клеток - всего около 1 700 генов. Не отстает от него и синехококк. Среди бактерий маленькие геномы избавляют организмы от необходимости содержать громоздкую ДНК, но в таком состоянии им также приходится отбирать многие основные питательные вещества и метаболиты у своих соседей. Бактерии с небольшими геномами иногда образуют взаимозависимые сообщества с организмами, которые производят то, что нужно им, и нуждаются в том, что производят они.
«Это может быть гораздо эффективнее, чем бактерии, которые пытаются производить все метаболиты одновременно»,
- пояснил Кост. «Когда вы живете в жидкости, возникает проблема: как вы можете обмениваться этими метаболитами с другими бактериями?» Нанотрубки могут стать решением проблемы. Питательные вещества, переданные таким образом, не будут унесены течениями, потеряны при разбавлении или потреблены халявщиками. В ходе компьютерного моделирования Кост и его коллеги обнаружили, что нанотрубки могут способствовать развитию сотрудничества между группами бактерий. Более того, «эта [новая] работа показывает, что такая передача происходит как внутри видов, так и между ними», - сказал он. «Это очень интересно». В предыдущей работе он и его коллеги также обнаружили различные виды бактерий, соединенных нанотрубками. По словам Конрада Муллино, микробиолога из Лондонского университета королевы Марии, такое сотрудничество встречается гораздо чаще, чем кажется, даже в таких средах, как открытый океан, где бактерии не всегда могут находиться достаточно близко, чтобы образовывать нанотрубки.
Мы часто говорим о бактериях как о простых и одноклеточных. Но колонии бактерий, биопленки и консорциумы различных микроорганизмов могут совершать сложные взаимодействия, соперничая с многоклеточной жизнью. Если море полно цианобактерий, общающихся между собой с помощью нанотрубок и везикул, то, возможно, этот обмен ресурсами может повлиять на такие фундаментальные вещи, как количество кислорода в атмосфере или количество углерода, поглощаемого океаном.
Кост, Бен-Йехуда и Маллино согласны с тем, что выводы новой работы интригуют. По их словам, авторы провели все необходимые тесты, чтобы убедиться, что наблюдаемые ими структуры действительно являются нанотрубками. Однако для объяснения значимости находки требуется дополнительная работа. В частности, остается открытым вопрос о том, что именно Prochlorococcus и Synechococcus делят между собой в природе. Фотосинтез позволяет этим бактериям получать энергию от солнца, но при этом они должны забирать питательные вещества, такие как азот и фосфор, из окружающей среды. Исследователи совместно с Рейчел Энн Фостер из Стокгольмского университета, специалистом по потокам питательных веществ в океане, приступили к серии экспериментов, чтобы проследить за перемещением этих веществ в сетевых клетках.
Другой вопрос - как бактерии образуют эти трубочки и при каких условиях. Трубки не намного длиннее отдельной клетки и считается, что Prochlorococcus, в частности, распространяется в толще воды. Муньос-Марин и ее коллегам интересен вопрос о том, какая концентрация бактерий необходима для формирования сети. «Как часто эти независимые клетки могут сближаться друг с другом, чтобы образовать нанотрубки?», - задается вопросом Гарсия-Фернандес. Нынешнее исследование показывает, что нанотрубки действительно образуются среди клеток в дикой природе, но точные требования к ним пока неясны.
Оглядываясь назад на то, что специалисты думали о коммуникации бактерий, когда он начал изучать морские цианобактерии 25 лет назад, Гарсия-Фернандес осознает, что эта область претерпела большие изменения. Раньше ученые думали, что видят мириады особей, плавающих рядом друг с другом в огромном пространстве, конкурирующих с соседними видами в гонке за ресурсы. «Тот факт, что между разными видами организмов может существовать физическая связь, меняет многие прежние представления о том, как функционируют клетки в океане, - говорит он. Это гораздо более взаимосвязанный мир, чем все думали.
