W obliczu niedoboru składników pokarmowych i nadmiaru stresu niektóre bakterie wchodzą w stan uśpienia, w którym procesy życiowe ulegają zatrzymaniu. W formie tzw. przetrwalników (sporów) mogą przetrwać ekstremalne temperatury, ciśnienie, a nawet trudne warunki panujące w przestrzeni kosmicznej. W końcu mogą “obudzić się” w ciągu kilku minut i powrócić do świata żywych.
Czytaj też: Na rozwiązanie zagadki czekano 50 lat. Wiadomo już, jak bakterie się poruszają
Warto zaznaczyć, że przetrwalniki budzą się dzięki nawodnieniu i ponownemu uruchomieniu metabolizmu. Do tej pory naukowcy nie wiedzieli, czy bakterie zamknięte w stanie przetrwalników są w stanie monitorować środowisko “we śnie” bez budzenia się do życia. Czy bakterie w stanie uśpienia zwracają uwagę na warunki środowiskowe i wybierają najlepszy moment na pobudkę, czy też robią to losowo?
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego rozwiązał tę zagadkę. Odkryli, że przetrwalniki mają zdolność do oceny otaczającego je środowiska, pozostając w stanie fizjologicznej śmierci – wykorzystują do tego zmagazynowaną energię elektrochemiczną. Szczegóły opisano w czasopiśmie Science.
Prof. Gürol Süel z Katedry Biologii Molekularnej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego mówi:
Ta praca zmienia sposób myślenia o przetrwalnikach, które były uważane za obiekty obojętne. Pokazujemy, że komórki w stanie głębokiego uśpienia mają zdolność do przetwarzania informacji. Odkryliśmy, że zarodniki mogą uwolnić swoją zmagazynowaną elektrochemiczną energię potencjalną, aby wykonać obliczenia dotyczące ich środowiska bez potrzeby aktywności metabolicznej.
Jak bakterie wracają do życia?
Wiele gatunków bakterii tworzy przetrwalniki (spory) jako strategię przetrwania, która pozwala im pozostać w stanie uśpienia przez tysiące lat. Z tego powodu laseczka wąglika (Bacillus anthracis) jest tak niebezpieczna, bo tworzone przez nią przetrwalniki są wyjątkowo odporne na warunki środowiskowe, nawet najbardziej ekstremalne.
Zespół prof. Süela postanowił sprawdzić, czy przetrwalniki laseczki siennej (Bacillus subtilis) są w stanie wyczuć krótkotrwałe sygnały środowiskowe, które nie były wystarczająco silne, aby spowodować ich powrót do życia. Okazuje się, że przetrwalniki były w stanie “policzyć” sygnały wejściowe i jeżeli suma osiągnęła pewien próg, możliwe było “przebudzenie”.
Uczeni stworzyli model matematyczny, który miał pomóc w wyjaśnieniu tego procesu i odkryli, że przetrwalniki wykorzystują mechanizm znany jako wykładnicze modele całkowania i odpalania, oparty na strumieniach jonów potasu do oceny otaczającego środowiska. Stwierdzili, że przetrwalniki reagują nawet na krótkotrwałe sygnały, które nie są wystarczające, by wywołać wyjście ze stanu uśpienia. Zamiast budzić się, przetrwalniki uwalniały część zgromadzonego potasu w odpowiedzi na każdy niewielki sygnał, a następnie sumowały kolejne korzystne sygnały, by określić, czy warunki są odpowiednie do wyjścia. Taka strategia przetwarzania sygnałów zapobiega “przeskakiwaniu” sporów do świata niesprzyjających warunków.
Prof. Gürol Süel dodaje:
Sposób, w jaki przetrwalniki przetwarzają informacje, jest podobny do tego, jak działają neurony w naszym mózgu. Zarówno w bakteriach, jak i w neuronach, małe i krótkie sygnały są sumowane w czasie, aby określić, czy osiągnięty został próg. Po osiągnięciu progu przetrwalniki inicjują swój powrót do życia, podczas gdy neurony odpalają potencjał czynnościowy, aby komunikować się z innymi neuronami.
Co ciekawe, przetrwalniki mogą wykonywać tę integrację sygnałów bez dostępu żadnej energii metabolicznej, podczas gdy neurony należą do najbardziej zależnych od energii komórek naszego ciała.
Czytaj też: Powszechne bakterie pomogą w walce z nowotworami. Trzeba je podgrzać… ultradźwiękami
Nowe badania dotyczące przetrwalników zmieniają popularne wyobrażenia o komórkach w skrajnie uśpionych stanach, które wydają się martwe. Takie odkrycia mają implikacje dla oceny życia na obiektach takich jak meteory, a także dla misji kosmicznych poszukujących dowodów na istnienie życia.