В исследовании отследили динамику микробной популяции при длительном голодании
Исследование микробных популяций при длительном голодании, проведенное профессором Университета Индианы Джеем Т. Ленноном и его лабораторией, может помочь ученым ответить на вопросы, относящиеся к хроническим инфекциям, функционированию бактерий в окружающей среде и поддержанию самой жизни. В статье, опубликованной в сети 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, в которых отсутствовал доступ к внешней пище в течение 1 000 дней. Команда отследила весь период выживания бактерий, и почти все бактерии выжили.
“Глобальный вопрос о том, как бактерии выживают в условиях длительного ограничения энергии, имеет отношение к пониманию хронических инфекций у людей и других хозяев, а также связан с тем, как некоторые патогены привыкают к лекарствам, таким как антибиотики”,— Джей Т. Леннон, профессор, факультет биологии, Колледж искусств и наук.
Многие бактериальные инфекции плохо поддаются лечению, в частности, потому, что лекарства часто спроектированы для воздействия на клеточный механизм метаболически активных клеток. Бактерии с ограниченным количеством энергии часто входят в состояние покоя или спячки, что делает их менее чувствительными к лекарствам, как говорит Леннон. Патогены могут не только выживать в таких условиях, но и их популяции также могут развивать устойчивость к антибиотикам, усугубляя проблему.
Микробы также играют важную роль в окружающей среде. Бактерии в исследовании были выделены из сельскохозяйственных почв. Как заявляет Леннон, в этих средах обитания микробы образуют симбиотические связи с растениями и осуществляют процессы, необходимые для функционирования экосистем, такие как связывание углерода, оборот 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. Согласно одному из объяснений, поддерживаемых исследованием, микробы, по-видимому, хорошо приспособлены к условиям “все или ничего”, когда ресурсы могут быть в дефиците в течение длительного периода времени. Это может помочь объяснить то, как сложные микробные сообщества выживают в течение долгого времени.
В исследовании Леннон со своими коллегами оценил, что бактерии, которые являются самыми быстроразмножающимися организмами на планете, также могут быть очень долгоживущими. Леннон и его команда, включая бывшего аспиранта Университета Индианы Уильяма Шумейкера, подсчитали, что бактерии с ограниченным доступом к энергии могут иметь продолжительность жизни, которая может соперничать, а в некоторых случаях и превосходить продолжительность жизни растений и животных. В исследовании использовался анализ выживаемости, чтобы оценить, что время вымирания некоторых популяций достигает 100 000 лет.
“Очевидно, что эти прогнозы выходят далеко за рамки того, что можно измерить”, — говорит Леннон, — “но цифры сходятся с возрастом жизнеспособных бактерий, извлеченных из древних материалов, таких как янтарь, кристаллы каменной соли, вечномерзлые породы и отложения на дне глубочайших океанов”.
Выживание микробов в таких условиях, вероятно, связано со спячкой и другими механизмами, сохраняющими энергию. Например, Леннон со своими коллегами обнаружил, что выживание клеток в их закрытой системе поддерживалось способностью бактерий "питаться" своими мертвыми сородичами.
В таких скудных условиях, когда клетки должны выживать за счет критично малого количества пищи, Леннону и его команде было любопытно, как бактерии могут эволюционировать. Они выявили гены, находящиеся под отрицательным отбором, но также и признаки положительного отбора, которые указывают на скрытое развитие, позволяющее увеличить частоту мутаций. Этот вывод дает возможность предположить, что переработка мертвых клеток может способствовать адаптивной эволюции. Такие наблюдения важны для понимания ограничений фундаментальных биологических процессов, учитывая, что большая часть планеты ограничена в энергии.