Журнал для юных умов
Меню сайта

Бактериальное кворумное зондирование: Самый древний язык на Земле

Несколько десятилетий назад ученые считали, что бактерии - это очень простые существа, которые не общаются друг с другом и умеют только размножаться. Недавно мы поняли, что это далеко не так! Бактерии общаются друг с другом с помощью языка, который называется quorum sensing. Можно считать, что бактериальное кворумное зондирование - это первая в истории социальная сеть! В этой статье мы расскажем вам об открытии кворумного зондирования и о том, как оно радикально изменило наше представление о микробном мире. Мы также расскажем, как наши новые знания о кворумном зондировании могут помочь врачам в лечении опасных бактериальных инфекций у людей. Присоединяйтесь к нам в этом путешествии, исследуя увлекательный язык бактерий и то, как он может принести пользу здоровью человека.

Доктора Бонни Басслер, Майкл Сильверман и Э. Питер Гринберг были удостоены международной премии Canada Gairdner 2023 за их открытие того, как бактерии общаются друг с другом и окружающими небактериальными клетками, что позволило получить новое представление о поведении микробов и открыть интересные направления для разработки новых лекарств против инфекционных заболеваний.

Светящиеся бактерии раскрывают древний язык

Наша история начинается с крошечной светящейся бактерии. В 1970-х годах Кен Нилсон и Вуди Хастингс обнаружили, что биолюминесцентная морская бактерия Vibrio fischeri светится только тогда, когда многие бактерии одного вида находятся близко друг к другу [ 1 ]. Ученые также заметили, что при наличии достаточно большой группы V. fischeri все они начинали светиться одновременно. Ученые предположили, что бактерии вырабатывают химическое вещество, называемое автоиндуктором, и когда бактерии оказываются достаточно близко друг к другу, концентрация автоиндуктора становится достаточно высокой, чтобы включить свет. Это была радикально новая идея, поскольку она означала, что бактерии общаются друг с другом - ранее эти организмы считались простыми "одиночками", не имеющими возможности общаться.

Затем мы втроем (Питер, Майк и Бонни) в течение нескольких десятилетий работали над раскрытием секретов бактериальной коммуникации и доказали, что Кен Нилсон и Вуди Хастингс были правы (вставка 1). Бактерии постоянно общаются и делятся удивительно сложной информацией о себе и своем окружении - не только друг с другом, но и с другими клетками и организмами.

Вставка 1 - Наши главные открытия в области бактериальной коммуникации.

В начале 1980-х годов Майк и др. обнаружили гены, отвечающие за биолюминесценцию у Vibrio fischeri (рис. 1A) [ 2 ]. Они показали, что когда эти гены вставляются в другие виды бактерий, те тоже становятся биолюминесцентными! Позже Питер взял гены, найденные Майком и др., и вставил их в тип бактерий, широко используемый в исследованиях, под названием Escherichia coli, чтобы изучить процесс бактериальной коммуникации [ 3 ]. Затем он показал, что другие виды бактерий общаются таким же образом. Он также показал, что бактериальная коммуникация отвечает за вирулентность бактерии под названием Pseudomonas aeruginosa, которая вызывает опасные легочные инфекции у людей с такими заболеваниями, как муковисцидоз (рис. 1B). В 1994 году Питер и др. ввели термин quorum sensing для описания коммуникации бактерий с помощью химических сигналов, вдохновившись юридическим термином quorum, который означает минимальное количество людей, необходимое для участия в некоторых важных встречах. Бонни, присоединившаяся к лаборатории Майка в 1990 году, изучала другую биолюминесцентную бактерию под названием Vibrio harveyi и обнаружила, что она использует один автоиндуктор для общения с другими бактериями V. harveyi и второй автоиндуктор, который оказался "универсальным" языком, общим для многих видов бактерий [ 4 , 5 ] (рис. 1С). Позже Бонни обнаружила больше типов аутоиндукторов, а также то, что бактерии используют эти вещества для общения не только с другими бактериями, но и с другими организмами, включая вирусы [ 6 ]. Затем она показала, что инт

Рисунок 1 - Ключевые открытия докторов Сильвермана, Гринберга и Басслера.

Кворумное зондирование - самая ранняя коммуникация в мире

Бактерии - самые древние организмы, живущие на Земле. У них около 5 000 генов, и до 600 из них контролируются с помощью кворумного зондирования. Это означает, что до четверти бактериального генома подобно оркестру, который управляется с помощью кворумного зондирования. В оркестре дирижер не хочет, чтобы все инструменты играли одновременно: в определенный момент он может захотеть, чтобы заиграли скрипки, а в другой - чтобы добавились духовые инструменты. В бактериальном оркестре происходит то же самое: определенные генные "инструменты" активируются при различных концентрациях аутоиндукторов. В другое время, когда концентрация автоиндукторов различна, некоторые гены могут "перестать играть" и отключиться.

Кворумное зондирование было первым методом коммуникации на Земле. Это также самое раннее социальное поведение, наблюдаемое на Земле. Бактерии настолько крошечны, что сами по себе не могут сделать многого. Но когда они используют кворум сенсинг для передачи и получения информации о том, сколько бактерий находится вокруг них и насколько они связаны друг с другом, они ведут себя как многоклеточный организм.

Теперь мы знаем, что существует как минимум четыре типа автоиндукторов, или "химических слов", в языке кворумного зондирования (рис. 2). Один тип уникален для каждого вида бактерий, и он позволяет бактериям общаться с представителями своего собственного вида. Используя этот автоиндуктор, одна бактерия может сказать другой: "Ты - мой близнец". Другой тип автоиндуктора производится только генетически близкими (но не идентичными) бактериями, и он говорит: "Ты мой родственник". Третий тип производится многими видами бактерий и, по сути, говорит: "Я - бактерия". Этот автоиндуктор используется для общения с другими видами бактерий. Мы думаем, что бактерии подсчитывают общее количество бактерий, присутствующих в их среде. Они даже могут использовать этот третий тип автоиндуктора вместе с первым типом, чтобы вычислить, является ли их вид большинством или меньшинством в окружающей среде, разделив количество молекул автоиндуктора "близнецов" на количество молекул автоиндуктора "бактерий". Самый последний обнаруженный тип автоиндукторов состоит из двух молекул, которые говорят: "ты - эукариот" и "ты - вирус". Используя эти четыре разных "слова", бактерии могут распознавать других представителей своего вида, знать, когда рядом есть другие виды бактерий, и идентифицировать другие типы организмов.

Рисунок 2 - Четыре типа бактериальной коммуникации.

Новые антибиотики?

Чувство кворума может играть важную роль в здоровье человека, поскольку его используют вредные бактерии, вызывающие заболевания. У болезнетворных бактерий есть особые гены, которые делают их вирулентными, и эти гены контролируются с помощью кворум-сенсинга. Например, некоторые гены помогают бактериям создавать трудноубиваемые сообщества, называемые биопленками, а другие помогают им выделять токсины в нужное время, чтобы наиболее эффективно атаковать хозяина. Обычно бактериальные инфекции лечатся антибиотиками, призванными убить бактерии или остановить их размножение. Но всегда есть несколько бактерий, на которые антибиотик не действует, и эти устойчивые к антибиотикам бактерии остаются живыми и продолжают размножаться в организме (подробнее об устойчивости к антибиотикам читайте в этой статье Frontiers for Young Minds). Может быть, есть другой способ нейтрализовать вредные бактерии? Может быть, есть способ нарушить их коммуникацию, чтобы они стали менее опасными?

В настоящее время ученые работают над созданием новых антибиотиков, которые не позволяют бактериям обнаруживать или производить автоиндукторы, тем самым блокируя их связь (рис. 3). Когда кворум сенсинг блокируется, бактерии становятся гораздо менее опасными, поскольку они больше не могут координировать свою вредоносную деятельность. В отличие от "обычных" антибиотиков, препараты, нарушающие зондирование кворума, не препятствуют росту бактерий и не убивают их, поэтому ученые надеются, что бактериям потребуется гораздо больше времени, чтобы стать устойчивыми к антибиотикам, направленным на зондирование кворума.

Рисунок 3 - Новые антибиотики на основе кворумного зондирования.

Что еще мы можем сделать с помощью кворумного зондирования?

Исследования в области кворумного зондирования развиваются стремительно, и мы постоянно находим новые молекулы кворумного зондирования с совершенно разными свойствами. Возможно, эти молекулы содержат более сложную информацию, чем мы думали вначале! Одной из увлекательных областей изучения является коммуникация между бактериями внутри микробиома человека, который представляет собой совокупность бактерий и других микроорганизмов в организме человека [6]. Микробиом человека может взаимодействовать с организмом, и он настолько важен для здорового функционирования организма, что теперь его рассматривают как еще один орган, даже если он состоит из нечеловеческих клеток. Например, микробиом кишечника взаимодействует с иммунной системой и другими системами организма и даже может влиять на психическое здоровье. Мы хотели бы иметь возможность "подслушивать" взаимодействие между бактериями, а также между бактериями и другими микробами в микробиоме кишечника, как следователи прослушивают телефонные разговоры подозреваемых. Картирование коммуникаций между организмами в микробиоме может привести к важным открытиям в области здоровья человека.

Мы также хотим использовать кворум зондирование для изучения того, как сообщества бактерий сотрудничают друг с другом и как они справляются с "мошенниками", которые не играют по "правилам". Эти обманщики не помогают производить необходимые вещества, которые использует все сообщество, но они все равно их потребляют. Это делает мошенников более выгодными, чем кооператоров, потому что они пользуются этими необходимыми веществами, не вкладывая энергию в их производство. Если быть жуликом так выгодно, почему жулики не захватывают население? Оказывается, обманщики не активируют гены, контролируемые системой кворумного зондирования, что не только не позволяет им производить необходимые вещества, но и делает их уязвимыми перед токсином, который выделяется в популяции. Кооператоры, которые активируют гены кворум сенсинга, активируют ген, который делает их более устойчивыми к этому токсину, поэтому они значительно меньше страдают от него. Вот как популяции бактерий поддерживают сотрудничество, и мы думаем, что сможем использовать эти знания на молекулярном уровне для понимания других типов сотрудничества, наблюдаемых в природе.

Любящая природа

Мы втроем очень любим природу и решили выразить эту любовь через науку, но есть много других способов изучать природу и работать с ней, которые также приносят удовлетворение и радость. Возможно, кто-то из вас захочет стать врачом, а кому-то понравится путешествовать по джунглям и наблюдать за экзотическими животными. Какой бы вариант ни связывал вас с красотой и удивительностью природы, это отличный путь.

Если вы выберете научный путь, вы можете рассматривать его как поиск сокровищ. Сокровища, или моменты эврики, которые мы переживаем, и научные открытия, которые мы делаем, очень важны и увлекательны, но они могут случаться нечасто. Чтобы найти их, мы обычно долго работаем, не получая никаких положительных результатов. В это время мы должны найти способ сохранить любопытство и энтузиазм, чтобы "охотиться" за следующим сокровищем. Даже после того, как мы находим сокровище, часто требуется время, чтобы другие ученые - или даже сами ученые, сделавшие открытие, - оценили его по достоинству. Это, безусловно, произошло с кворумным зондированием, и это часто случается с любой совершенно новой наукой - требуется время, чтобы накопить достаточно данных, чтобы оказать влияние. К счастью, у нас были замечательные коллеги и студенты, которые любят природу так же сильно, как и мы, и это сделало все наше путешествие увлекательным.

Молодые люди часто думают, что они никогда не смогут стать такими же успешными, как мы. Правда в том, что мы были такими же, как вы, когда были студентами несколько десятилетий назад! Чтобы стать хорошим ученым, требуется время. Мы считаем, что любой студент может стать таким же, как мы, если будет предаваться своей работе так же долго, как мы. Хотя иметь научных кумиров, на которых вы хотите однажды стать похожими, может быть полезно, мы также считаем, что на каждом этапе своей карьеры вам следует выбирать образцы для подражания, которые находятся ближе к тому месту, где вы сейчас находитесь, - эти люди могут послужить ступеньками на пути к вашей конечной цели.

Это интересно: