– Nasza praca pokazuje, w jaki sposób bakterie społeczne, znane jako bogate źródło środków biokontroli upraw, mogą służyć jako potężny model do badania nieznanych zachowań, wykazując przy tym artystyczne piękno – tak o „arcydziele” stworzonym przez bakterie mówi profesor mikrobiologii Daniel Wall z Uniwersytetu Wyoming, jeden z głównych autorów badania.
Grafika przypominająca fragment dzieła Vincenta Van Gogha to w rzeczywistości obraz mikroskopowy, przedstawiający roje dwóch szczepów myksobakterii z gatunku Myxococcus xanthus. Na potrzeby badań roje zostały sztucznie zabarwione, co pozwoliło naukowcom śledzić zachowanie każdego ze szczepów i wykryć ewentualne różnice w ich sposobie poruszania się.
W przypadku „Gwieździstej nocy” bakterie pokolorowano na niebiesko i żółto, ale w innych próbach naukowcy wykorzystali m.in. zielony i czerwony, uzyskując równie piękne obrazy.
Obraz mikroskopowy myksobakterii / (fot. Wall/University of Wyoming)
Bakterie społeczne łączą się w jeden organizm
Myxococcus xanthus to gram-ujemny gatunek myksobakterii – bakterii glebowych, które są zdolne do współdziałania i tworzenia skoordynowanych, złożonych struktur. Właśnie ta zdolność sprawia, że są uznawane za bakterie społeczne.
Myksobakterie organizują się w roje, kiedy natrafiają na duże pokłady substancji odżywczych. Połączenie pojedynczych bakterii sprawia, że są w stanie szybciej i bardziej skutecznie się żywić. Tworząc jeden większy organizm produkują więcej enzymów trawiennych, które uwalniają do gleby. Tam enzymy rozkładają materiał organiczny, który następnie jest wchłaniany przez bakterie.
Naukowcy od lat są zafascynowani zdolnością myksobakterii do łączenia się w jeden superorganizm Prof. Wall prowadzi badania nad bakteriami społecznymi od blisko 10 lat. W 2017 roku odkrył „przełącznik genetyczny” odpowiedzialny za włączanie i wyłączanie ich zdolności do grupowania się. W kolejnych latach zgłębiał mechanizmy stojące za ich zachowaniami społecznymi, a w nowym badaniu sprawdzał, jak modyfikacje genetyczne wpłyną na ruchy bakterii.
Bakterie społeczne mogą zmieniać swój ruch
Zespół prof. Walla w poprzednich badaniach odkrył, że myksobakterie łączą się ze sobą przez receptory powierzchniowe zwane TraAB. Wyobraźmy sobie, że każda bakteria to przedłużacz z wtyczką na jednym i gniazdkiem na drugim końcu. Wtyczka to TraA, a gniazdko TraB. Bakterie łączą się w długi przewód, dzięki czemu mogą wymieniać składniki odżywcze i białka z resztą grupy. A kiedy rój napotyka pożywienie, mikroby mogą łączyć swoje enzymy i metabolity, aby przyspieszyć proces trawienia.
W zwyczajnych warunkach myksobakterie w roju mogą poruszać się naprzemiennie w przód i w tył, zmieniając „głowę” w „ogon” i odwrotnie (tak jak pociąg w dwie strony kursujący po tym samym torze). W nowym badaniu zespół postanowił sprawdzić, jak zachowają się bakterie, gdy dojdzie do nadekspresji połączeń TraAB, nazwanych przez naukowców „klejem społecznym”. Naukowcy założyli, że wzmocnienie siły tego „kleju” sprawi, że rój nie będzie mógł się łatwo rozdzielić, zmienić kształtu ani kierunku ruchu. To mogłoby być pierwszym krokiem do sterowania zachowaniami bakterii.
Mikrobiolodzy poddali bakterie odpowiednim modyfikacjom genetycznym. Jeden szczep bakterii wzbogacili o nadekspresję połączeń TraAB, czyli wzmocnili ich klej społeczny. Drugi szczep został zaprogramowany tak, aby nie odwracał ruchu (ogon–głowa), ale nie wzmocniono jego lepkości. Dodatkowo bakterie zostały zabarwione na różne kolory, aby ułatwić obserwacje mikroskopowe.
Mieszanina dwóch szczepów myksobakterii. Jeden z nadekspresją TraAB (żółty) i drugi „nieprzylepny i nieodwracalny” (niebieski). / (fot. Wall/University of Wyoming)
Wyniki badania pokazały, że nadmierna ekspresja TraAB rzeczywiście powstrzymuje rój przed zmianą pozycji, czy, inaczej mówiąc, zamianą głowy na ogon. Podobnie zadziałała druga modyfikacja genetyczna. Co ciekawe, po ingerencji odnotowano znaczne zmiany w ruchu rojów, które stały się małymi, obracającymi się wirami komórek. To właśnie ten nietypowy model, nieobserwowany w przyrodzie, został uwieczniony na zdjęciach.
„Gwiaździsta noc” Vincenta Van Gogha / (fot. Wikipedia/Media Commons)
Źródło: mSystems.