Любой организм, который живет, растет и размножается, должен стареть.
Люди часто думают о старении в физическом смысле - седые волосы, замедленные движения и морщины, - но старение в основе своей происходит на молекулярном уровне, внутри клеток. По мере старения организмов их клетки накапливают повреждения, которые нарушают их функционирование. Молекулярные повреждения связаны со многими возрастными заболеваниями у людей и в равной степени актуальны для одноклеточных организмов. Несмотря на то что бактерии не выглядят старше своих лет, они тоже чувствуют течение времени.
Бактерии отличаются от нас по многим параметрам, в том числе по способам роста и размножения. В отличие от людей и других животных, одноклеточные организмы, такие как бактерии и некоторые грибы, могут размножаться с помощью процесса, называемого бинарным делением, то есть они дублируют свою ДНК, а затем делятся на две части. Репликация с помощью бинарного деления может быть очень быстрой - самая быстрорастущая бактерия, о которой мы знаем, может разделиться менее чем за 10 минут!
Учитывая, что мы ведем совершенно разный образ жизни, может показаться, что концепцию старения трудно применить к бактериям. Действительно, долгое время считалось, что бактерии и другие организмы, размножающиеся путем бинарного деления, вообще не стареют. Это объяснялось тем, что бинарное деление считалось симметричным делением, при котором родитель и потомство имеют одинаковый возраст, что приводит к тому, что ученые называют «функциональным бессмертием» для популяции. С другой стороны, считалось, что асимметричное деление, при котором родитель старше потомства, необходимо для того, чтобы организм вообще мог стареть.
Доказательства против принятой парадигмы бессмертия впервые появились в 2005 году, когда ученые показали, что кишечная палочка действительно демонстрирует различия между «старым» и «новым» в родительских и дочерних клетках, соответственно. Наблюдая за делящимися клетками с помощью микроскопа, исследователи смогли показать, что скорость роста и производство потомства у старых клеток со временем снижается и они умирают чаще, чем их молодые потомки. Таким образом, несмотря на одинаковый вид, клетки подвергаются делению, которое делает их функционально асимметричными, что приводит к старению клеток с течением времени.
Используя математические модели и данные исследования 2005 года, другие ученые позже показали, что асимметрия важна для всей популяции, поскольку она повышает ее приспособленность, поддерживая дисперсию. Вариативность - это то, на что действует естественный отбор, а большая вариативность в популяции, как правило, означает больше шансов на выживание в изменчивых условиях. Это исследование имеет большое значение для согласования ранее противоречивых взглядов на старение бактерий и показывает насколько важным может быть старение на эволюционном уровне.
Но как асимметричное деление помогает поддерживать популяцию в хорошей форме? Частично ответ кроется в агрегации белков, способствующей старению как бактерий, так и эукариотических клеток. Агрегация белков связана со многими возрастными заболеваниями у людей, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона, поскольку эти агрегаты могут быть токсичными и вызывать гибель клеток. Белки также агрегируют в E. coli, как показали исследователи, используя флуоресцентные молекулы, которые прикрепляются к агрегатам, но бактерии ловко с ними справляются, чтобы минимизировать ущерб. В результате асимметричного деления старые клетки накапливают белки, чтобы разделить возрастные повреждения и сохранить потомство «молодым», с молекулярной точки зрения.
Стресс - еще один фактор, который, как считается, способствует старению человека, а в статье, опубликованной в 2024 году, предполагается, что то же самое происходит и с нашей бактериальной спутницей - кишечной палочкой. Как и любой другой вид клеток, ее клетки накапливают мутации на протяжении всей своей жизни. Некоторые из этих мутаций могут быть нелетальными, но все равно негативно влияют на жизнеспособность клетки, например, приводят к потере функции важных белков. Такие пагубные мутации с потерей функции могут запустить стрессовое состояние внутри клетки, которое в конечном итоге помогает ей выжить после мутации.
АТФ-синтаза - важный белок для выработки энергии в виде АТФ. Потеря его субъединиц у E. coli приводит к клеточному стрессу и ускоренному старению.
Источник: Vik S.B./EcoSal Plus, 2007
Исследователи проанализировали влияние более 60 различных нелетальных мутаций с потерей функции в E. coli, сосредоточившись на мутантах с нефункционирующими АТФ-синтазами - крупными белковыми комплексами, позволяющими клеткам вырабатывать энергию в виде АТФ. Было обнаружено, что эти мутанты увеличивают свою метаболическую активность, чтобы компенсировать мутацию, но за это приходится платить - они растут медленнее, а некоторые из них переходят в состояние, похожее на чистилище, «пост-репликативное» состояние, быстрее, чем не-мутанты, особенно если их окружение бедно питательными веществами.
Учитывая полученные результаты, исследователи предположили, что существует «цена старения», которая связана с поддержанием устойчивости к стрессу на уровне популяции. Помимо того, что это проливает свет на потенциально древний механизм старения, факторы, способствующие старению бактерий, могут быть изучены в качестве новых мишеней для антибиотиков. Кроме того, некоторые человеческие заболевания также развиваются в результате клеточного стресса и понимание того, как это происходит на молекулярном уровне, может привести к разработке новых методов лечения.
Время не щадит никого, даже бактерий, и это хорошо. Бактерии далеко не бессмертные существа, которым подвластно старение, и они представляют собой интересную систему для изучения молекулярных механизмов, способствующих возрастному увяданию. Благодаря их быстрому и устойчивому росту мы можем наблюдать за многими поколениями в относительно коротком эксперименте и проверять влияние всевозможных экологических и генетических факторов на сложный процесс старения. Нам еще многое предстоит узнать о старении, но в этом путешествии мы находимся в хорошей компании.
