Новости

В то время как людям и (почти) всем остальным животным на планете для выживания необходим кислород, многие виды бактерий подошли к этому вопросу более творчески.    Вместо того чтобы использовать кислород в качестве конечного акцептора электронов для клеточного дыхания, некоторые бактерии могут использовать железо или марганец, эффективно "дыша" металлами. С момента первых открытий Shewanella oneidensis и Geobacter metallireducens в отложениях озера Онейда и реки Потомак эти "электрические бактерии" приобрели известность как компоненты микробных топливных элементов и микробного электросинтеза для производства топлива и других биохимических веществ.    Мох Эль-Наггар, биофизик из Университета Южной Калифорнии, интересуется этими организмами уже почти два десятилетия. После многих лет изучения динамики переноса электронов в этих бактериях по отдельности и в биопленках Эль-Наггар изучает, как эти организмы могут стать связующим звеном между живым и неживым миром, используя опыт, накопленный в ходе эволюции, для создания гибридной электроники. Как вы попали в область электромикробиологии?    Будучи аспирантом Калифорнийского технологического института, я занимался прикладной физикой и материаловедением. Когда в 2006 году я завершал обучение в аспирантуре, мне захотелось перейти в мир биофизики. В моей голове возникла идея, что вместо того, чтобы присоединиться к физической лаборатории, которая занимается биологией, лучшим вариантом было бы присоединиться к биологической лаборатории - погрузиться туда и просто посмотреть, как это работает.    Это означало, что я искал вакансии в постдокторантуре, для которых совершенно не подходил. Я никогда раньше даже не занимался культивированием бактерий. В те дни я связался с кучей людей, и однажды позвонил Кену Нилсону, выдающемуся микробиологу из Университета Южной Калифорнии. Только позже я узнал, что именно он впервые выделил Shewanella oneidensis, которая стала модельным организмом для изучения этого нового класса микробов, который мы теперь в обиходе называем электробактериями.    Я сказал ему: "Я слышал, что вы занимаетесь всеми этими интересными проектами с бактериями и электронами. Возможно, я знаю что-то о переносе электронов, но я никогда не работал с бактериями". Вместо того чтобы отказать мне, он спросил, смогу ли я приехать в к нему в тот же день. Дальше все пошло как по маслу. Так что мой вход в эту область был, по сути, холодным звонком одному очень уважаемому микробиологу, который решил мне поверить. Как открытие электрических бактерий Нилсоном и другими исследователями в 1980-х годах изменило представление ученых о клеточном дыхании?    Люди давно знали, что существуют анаэробные бактерии, которым для выживания не нужен кислород. Но, по общему мнению, молекула, которую бактерии используют вместо кислорода, должна быть растворимой; она должна попадать внутрь клеток, чтобы использоваться в процессе дыхания. Кен и другой выдающийся микробиолог Дерек Ловли из Массачусетского университета независимо друг от друга обнаружили анаэробные микробы, которые функционировали по-другому. Вместо того чтобы ждать, пока электроноакцепторная молекула попадет в клетку, бактерии переносят электроны за пределы клетки на твердую поверхность.    Почему возникла такая стратегия дыхания? В природе существует множество минералов с железом и марганцем, которые обладают окислительно-восстановительной активностью, то есть позволяют отдавать электроны. Просто эти минералы не могут попасть внутрь клетки, поэтому бактериям приходится распространять свои электронно-транспортные цепи на окружающий их абиотический мир. Как бактерии могут экспортировать эти электроны?    Мы уже давно поняли, что электроны могут перемещаться в клетках с помощью электронного туннелирования - перемещения через очень маленькие расстояния, возможно, в несколько нанометров, между одной молекулой и другой. Оказалось, что многие из изучаемых нами организмов строят молекулы, называемые мультигемными цитохромами, которые по сути являются белками с железными центрами. Электрон может перепрыгивать от одного железа к другому с помощью этого туннельного процесса.    Один из наших главных вкладов в эту область - демонстрация того, что этот процесс не ограничивается одномоментными прыжками через пару нанометров; длинные цепочки этих белков с железными центрами могут нанизываться друг на друга. Таким образом, электрон может перемещаться не только на пару нанометров, но и на многие микроны. На самом деле он может преодолевать даже большие расстояния. Таким же образом электроны могут перемещаться в многоклеточных сообществах - от клетки к клетке в бактериальных биопленках. Кабельные бактерии - это многоклеточные бактерии, способные осуществлять транспорт электронов на большие расстояния. Фото: T. Yang, University of Southern California. Как это исследование перешло от фундаментальной науки к изучению потенциальных приложений?    Это интересная научная история, потому что она развивалась в самых неожиданных направлениях. Вначале ученые были в восторге от этой идеи, потому что это был новый способ дыхания, и они хотели изучить основы физиологии.    Затем исследователи поняли, что если бактерии могут отправлять свои электроны на поверхности вне клетки, то мы сможем использовать их для создания биобатарей. Можно ли вместо минерала дать им электрод, похожий на клемму батареи или топливного элемента? Оказалось, что ответ положительный. После этого они стали думать, всегда ли электрон должен двигаться изнутри клетки наружу или можно сделать наоборот. Можно ли вместо того, чтобы получать электричество из бактерий, подавать электричество в клетки и заставлять их заниматься интересными химическими процессами, например восстанавливать углекислый газ, чтобы получить топливо?    Нам всегда хочется думать, что мы такие умные, что если кто-то что-то откроет, то мы сразу поймем, к чему это приведет. Оказывается, в подавляющем большинстве случаев все происходит совсем не так. Мы просто открываем что-то, а потом в мире находится достаточно умных людей, чтобы направить это в неожиданное русло. Это один из самых весомых аргументов в пользу фундаментальных исследований. Каким вы видите будущее этой области?    В последние несколько лет я размышляю о классе устройств, которые я называю "живой электроникой". Идея заключается в следующем: традиционная электроника очень хороша, но есть вещи, которые биология умеет делать лучше. Например, биология - это очень низкое энергопотребление; энергопотребление целой бактерии - это то, что мы просто не можем превзойти.  Для работы целого человека требуется меньше энергии, чем для старой лампы накаливания.     Даже при таком низком энергопотреблении живые существа очень хорошо обрабатывают информацию и принимают решения. Клетки также очень хорошо чувствуют: они могут обнаружить всего несколько молекул чего-либо. Можем ли мы взять эти вещи, в которых биология очень хороша, и соединить их с традиционной электроникой, которой мы умеем манипулировать и управлять? Ключ к соединению этих двух частей вместе - это наличие организмов, с которыми можно общаться с помощью электронов, и это именно то, к чему эти микробы естественным образом эволюционировали.    Мы знаем, что бактерии можно использовать в качестве биосенсоров, но что, если я хочу, чтобы бактерия не просто вырабатывала зеленый флуоресцентный белок, когда видит молекулу, которую я хочу обнаружить? Вместо этого я хочу, чтобы она посылала электрический импульс непосредственно на традиционную электронику. Аналогично, можно ли использовать это для вычислений? Могу ли я использовать механику того, как клетки принимают решения и обеспечивают вход и выход с помощью электрического импульса?    Мы изучаем, как работают эти микроорганизмы, и учимся манипулировать ими на поверхностях, подобно традиционной электронике. В традиционной электронике для создания точных схем электроники используется литография, и оказалось, что мы можем использовать синтетическую биологию для создания аналогичных схем клеток с помощью света.    Используя оптогенетику, мы можем создавать бактерии, которые увеличивают или уменьшают экспрессию молекул переноса электронов в ответ на свет. Это похоже на использование полупроводникового легирования в традиционной электронике: оно увеличивает или уменьшает перенос электронов. Это может позволить нам начать создавать из этих клеток вещи, похожие на транзисторы. Мы хотели бы поиграть с концепцией соединения живых клеток с традиционной электроникой, воспользовавшись тем, что некоторые бактерии умеют делать уже несколько миллиардов лет.

Клетки во всех сферах жизни растут и делятся так, что их размеры жестко регулируются, однако координация этих процессов остается малоизученной. Вопрос о том, как клетки регулируют свои клеточные циклы, является одним из центральных в клеточной биологии.     Что подсказывает бактерии, что ей пора разделиться? Ученые расходятся во мнениях по этому вопросу. В предыдущих работах были предложены различные модели этой координации у бактерий, в одних из которых деление контролируется процессами репликации ДНК, а в других - не связано с ними. Модели гомеостаза размеров клеток были предложены для бактерий, архей, грибков, растений и клеток млекопитающих. Новые эксперименты приносят большие объемы данных, которые позволяют проверить существующие модели регуляции размера клеток и предложить новые механизмы.     В последние несколько лет, пытаясь выявить биологические сигналы, определяющие момент деления бактерии, ученые опирались на недавно разработанную технологию, позволяющую отслеживать жизненные циклы одной бактериальной клетки и всех ее потомков на протяжении сотен поколений. Проблема в том, что эксперименты с использованием этой системы давали противоречивые модели, каждая из которых приписывала время деления клеток различным факторам.    В исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Института наук Вейцмана (Израиль) использовала статистический анализ, чтобы определить, какая модель деления клеток наиболее правдоподобна. Преимущество этого метода в том, что он позволяет сразу перейти к решению проблемы - выявлению причинного фактора деления - без необходимости раскрывать точные биологические механизмы.    В своем предыдущем исследовании авторы, следившие за делением бактериальных клеток, заметили, что с момента дублирования ДНК до деления клетки вырастают на абсолютно одинаковый объем. Из этого они сделали вывод, что процессы, говорящие клетке, что она должна разделиться на две части, начинаются на этапе дублирования генетического материала. Это наблюдение привело к разработке другой модели, согласно которой отсчет времени до деления клетки начинается с момента ее рождения. Согласно этому подходу, в клетках с самого начала начинает накапливаться регуляторный белок, который заводит своеобразный тикающий будильник, срабатывающий, когда уровень этого белка достигает определенной отметки. Третья модель объединила оба подхода, предложив участие как регуляторного белка, так и генетической репликации.    Все эти модели были основаны на корреляции: ученые заметили, что пределы роста в определенных частях цикла бактериальных клеток, казалось, были синхронны с клеточным делением. Но, как может сказать вам любой студент первого курса, корреляция не является причинно-следственной связью. То есть накопление белка или репликация ДНК могут происходить одновременно с сигналом к делению, не имея при этом никакой причинно-следственной связи с этим сигналом.    Чтобы разобраться с моделями деления клеток, в ходе выращивания сотен различных модельных бактерий E. coli, ученые использовали статистический анализ условной независимости. Для одних клеток были созданы условия, которые позволяли им быстро делиться, а другие выращивались в условиях, которые диктовали более медленный рост. Полученные данные включали в себя время наступления различных стадий жизненного цикла клеток, а также размер клеток на каждой стадии.    Анализ на условную независимость ставит вопросы по принципу "если - то", которые позволяют выявить, какая из корреляций является совпадением, не имеющим причинно-следственной связи. Исследователи сравнили группы бактериальных клеток, которые были одинакового размера на стадии дупликации ДНК, но имели разные размеры при рождении. Если модель, утверждающая, что время деления клеток зависит только от дупликации ДНК верна, то клетки одинакового размера во время дупликации будут делиться в одинаковое время, независимо от их размера при рождении. Если же модель неверна, и именно накопление регуляторного белка с момента рождения определяет время деления клеток, то клетки разного размера при рождении будут делиться в разное время, и будет наблюдаться корреляция между размером при рождении и размером в момент деления.    Исследователи с удивлением обнаружили, что обе модели верны, но не так, как предлагала третья "гибридная" модель. Когда бактериальные клетки росли медленно, только процессы дупликации ДНК определяли, когда клетка будет делиться. Однако когда скорость роста клеток увеличивалась, ситуация усложнялась, и авторы обнаружили, что и процессы, начинающиеся с момента рождения, и дупликация ДНК в совокупности определяют момент деления клетки.    Наконец, исследователи обнаружили визуальный признак того, что деление клетки достигло точки невозврата: клетке суждено разделиться на две клетки в тот момент, когда в ее центре начинает формироваться кольцеобразная структура из цитоплазматического белка FtsZ . Это кольцо служит каркасом для сборки механизмов деления и сжимается на протяжении всего деления, направляя синтез зарождающейся перегородки.    Ученые также использовали анализ условной независимости, чтобы опровергнуть широко распространенную теорию о том, что время дупликации ДНК в одном поколении жестко определяет это время в следующем. Напротив, они показали, что процессы, происходящие в родительской клетке после того, как дублирование ДНК уже началось, могут повлиять на то, когда дочерние клетки начнут копировать свой генетический материал.    "Использование статистических методов для подтверждения причинно-следственных связей позволяет нам лучше понять процессы роста и деления в бактериальных клетках", - рассказал соавтор работы Ариель Амир. "Анализ на условную независимость широко используются в таких областях, как эпидемиология, экономика и так далее. Я считаю, что возможность охарактеризовать процессы роста и размножения широкого спектра патогенов проложит путь к разработке более эффективных антибиотиков в будущем".