
В ходе борьбы между различными клонами бактерий до 95 процентов клеток в колонии могут совершить самоубийство — разрушить собственную мембрану. Перед этим они накапливают белок, токсичный для соперников, и его выделение защищает остальную колонию. Наибольшая массовость суицидов происходит на фронте сражения, где бактерии все равно бы погибли от ядов, которые выдяляют их конкуренты. Препринт статьи выложен на сервисе bioRxiv.
Обычно естественный отбор отсеивает склонность к действиям, которые приводят к смерти актора. Однако в природе встречаются виды, которым свойственно суицидальное поведение: например, общественные насекомые (термиты или муравьи) или бактерии. Последние разрушают мембраны собственных клеток, чтобы выделять токсины, смертельные для соперников. Эволюционная выгода таких действий понятна, если только небольшая часть колонии подвергает себя лизису, чтобы защитить остальных. Однако определить, какие клетки убили себя сами, а какие погибли от действий противников, не так-то просто.

Токсичные вещества, которые бактерии выделяют при лизисе, называются бактериоцины, они специфичны для разных штаммов. Escherichia coli продуцирует широкий спектр белков колицинов, они экспрессируется с небольших плазмид (отдельных кусков ДНК, которые находятся в цитоплазме клетки). Производство колицинов запускает защитная SOS-система бактерии в ответ на повреждение ДНК. Выделение токсинов можно спровоцировать искусственно, если воздействовать на колонию агентами, которые повреждают ДНК. Но и природные колицины убивают клетки бактерий как раз через нарушение ДНК, чем запускают ответную продукцию колицинов. Такое противостояние напоминает настоящие боевые действия между колониями бактерий.
Элиза Гранато (Elisa Granato) и Кевин Фостер (Kevin Foster) из Оксфордского университета нашли способ отличать бактерий-самоубийц от жертв действий противников. Оказалось, что известный краситель йодид пропидия, который флуоресцирует при связывании с ДНК, проникает только в клетки, лизирующиее свою мембрану самостоятельно. Таким образом, по интенсивности свечения можно оценить число суицидов. Кроме йодида пропидия, ученые вводили в клетки бактерий плазмиды, которые кодировали зеленый флуоресцентный белок. Экспрессия этого красителя запускалась тогда же (с тем же промотором), когда и производство колицина Е2.
Исследователи оценивали динамику выделения колицина Е2 и лизиса в почти восьми тысячах клеток одного штамма бактерий в ответ на колицин Е8, который продуцирует конкурентный штамм. Затем ученые создали поле сражения для двух конкурирующих клонов бактерий, чтобы посмотреть, как клетки реагируют на неравномерное воздействие токсинов во времени и пространстве в реальных условиях. Одну сторону представляли бактерии, которые производят колицин Е2 (в качестве контроля использовали бактерии, которые вообще не выделяют токсины), а другую — те, чье оружие — колицин Е8.
Чтобы проверить, будут ли бактерии лизироваться, если в их арсенале не будет оружия, исследователи использовали генетически модифицированный штамм, в котором не было плазмиды колицина Е2. Колонию высадили на субстрат, в котором концентрация колицина Е8 была градуальной, как и на поле битвы двух клонов.
В клетках, которые лизировали свою мембрану, в течение примерно 50 минут до разрушения постепенно возрастало свечение зеленого флуоресцентного белка, что соответствовало накоплению колицина Е2 в цитоплазме. Затем мембрана начинала разрушаться, в результате чего резко возрастал уровень связанного с ДНК йодида пропидия, а зеленый краситель вытекал из клетки.
Свечение зеленого флуоресцентного белка (соответствует накоплению колицина E2, зеленый) и йодида пропидия (соответсвует лизису клетки, розовый). За ноль принято время лизиса
Авторы работы выделили три вида реакции бактерий на колицин Е8: отсутствие деления с негативной (убитые колицином клетки) или позитивной (суицид) реакцией на йодида пропидия, и делящиеся клетки, в которые маркер ДНК не входил (живые). При выскоких концентрациях токсина большинство клеток немедленно погибло и лишь 6,3 процента совершили самоубийство. Однако, когда ученые стали снижать количество колицина Е8, лизировали свои собственные клетки до 95 процентов колонии (в среднем 84,7 процента). При самых низких концентрациях токсичного белка доля выживших клеток ожидаемо возросла, а процент суицидов составил 21,9.
Реакция бактерий на различные концентрации колицина Е8 (горизонтальная ось). Вертикальная ось - процент клеток: голубой - живых, серый - убитых, розовый - лизировавших себя
Когда две колонии бактерий соперничали между собой, в клетках контрольного штамма уровень йодида пропидия был низким. Эти организмы не выделяют токсины, поэтому и суицидальное поведение для них не оправдано. Лизис же клеток, которые производили колицин Е2, зависел от того, как близко они находились к фронту сражения. Самый высокий уровень самоубийств (97,3) был у бактерий, которые располагались примерно в 0,5 миллиметра от границы колоний, на самом краю лизировали себя 75,5 процентов клеток. Видимо, бойцы передовой погибали сразу после начала сражения, так как концентрация колицина противника там была самой высокой. А глубже, куда токсин проникал не так быстро, клетки успевали накапливать колицин Е2 и лизироваться для защиты тыла.
Клетки, которые не могли производить колицин Е2 из-за остутствия необходимой плазмиды, погибали при высоких концентрациях колицина Е8. Наибольшую массовость бактериального суицида наблюдали при таких же условиях. То есть бактерии, которые находились недалеко от фронта сражения колоний, все равно погибли бы от токсинов соперников. Однако, пожертвовав собой до этого, они защитили другие клетки своего штамма. Это объясняет эволюционную природу столь странного явления — самолизируются те клетки, репродуктивная ценность которых и так крайне низка.
Наш иммунитет умеет использовать суицидальные программы других организмов для защиты: при попадании спор плесени в организм млекопитающих его клетки подавляют работу белка, который не дает грибам совершить самоубийство, и те погибают.

Комментарии
Войдите, чтобы прокомментировать
Слушайте, со Сплетник ом не нужны уже другие подписки..
На этом ресурсе есть, ну просто ВСЕ Е!!!
Lux_Gr, ну не только же в бирюлево стекловату читать. когда в след раз ититьки будут ржать над салатницами, вы им парируйте - А ОСВЕДОМЛЕНЫ ЛИ ВЫ, ДЕТОЧКА, О НОВЕЙШИХ НОВОСТЯХ В МИРЕ БИОЛОГИИ??))
Lux_Gr, *чесать
Природа мудра и прекрасна
Bezdushnaya, да, не перестаю удивляться
Bezdushnaya, у нее было время такой стать. А сколько было экспериментов и тупиковых решений. Миллиардная масса. И в конце неудачный эксперимент просто уничтожался. Природа жестока - не жизнеспособен иди не приспособлен - в утиль. Но с человечеством она конечно лопухнулась.
Fox12, я вообще буду рада, если человечество самовыпится, только другим видам жить мешаем
ontheheath, это что-то ненормальное - желать умереть себе и своим детям. Научиться жить, максимально не вредя природе - да, но желать всем сдохнуть? Не, это не для меня.
Fox12, вы думаете, сможем? я давно пришла к выводу, что нет.
ontheheath, все меньше и меньше у нас выбора. Я родилась и выросла при лозунге "Человек - венец природы!" Хорошо помню как мы смеялись, когда прочитали, что чистую воду на Западе покупают в бутылках. И если бы мне тогда сказали, что чистая вода - это золото нашей планеты, за доступ к которому надо платить, я бы не поверила.
Проблема мусора осознано в нашем государстве стала обсуждаться и хоть как-то решаться максимум 15 лет назад. Пластиковые бутылки появились не так давно, а уже осознаем сколько это несет бед. Сократилось время от осознания проблемы и до начал поиска ее решений. Это радует. До этого люди жили 10 тыс. лет осознанно уничтожая и ничего не отдавая взамен, не задумываясь. Если исчезали ресурсы в месте обитания, они просто переходили на новый участок. А теперь идти некуда. Что выбрасываем, то и едим. Поэтому я оптимист, Мы вынуждены будем снижать ущерб, ценить ресурсы и сохранять природу. Уже сейчас мышление кардинально другое, даже в сравнении с двадцатью годами назад. А уж если сравнивать с серединой прошлого века, то и подавно.
Fox12, Почему лопухнулась? Человек также сам свою численность также как бактерии регулирует, испортил окр среду- сам же заболел и сдох, нарожал много- устроил войну, половину вырезал.
zucotuco, человек пока ничего не регулирует, только пожирает, гадит и размножается. Но сознание и разум нам не так просто дали выжить в этой жесткой конкурентной борьбе. Осталось только найти эту тонкую грань существования не уничтожая. Пока мы эту грань не нашли. Но как никогда осознаем необходимость этого. Что уже очень важно и впервые все человечество задумалось об этом, заваленное мусором и дыша грязным воздухом. Потому что если не придумаем как достигнуть дзена, природа нас выпилит, как неспособных к жизни.
Да рациональная и жесткая, но человек создал духовность или наоборот, не знаю.
Bezdushnaya, не нужна духовность. Нужно прагматичное осознание, что мы гадим под себя.
Fox12, не хочу вступать в дискуссии но без одухотворенности человека вообще все бессмысленно. На прагматизме далеко не уедешь.
надо будет природа уравняет
Эта статья здесь, чтобы расплавленные коронавирусом, нефтью и Светой Бондарчук мозги снова заработали? Цель почти достигнута
catvizl, *здесь должна быть гифка "бинго" с хансом ландой*
catvizl, на короновирус я решила подействовать гомеопатическим методом "подобное лечит подобное", потому что мозги и в самом деле начинали плавится. И я решила почитать старые статьи начала 80х с историей начала СПИДА. Онень помогло, советую. Тогда истерика и заголовки в прессе жирным шрифтов тоже много мозгов поплавили
Gjcjii, действую на коронавирус тем, что сижу в карантинной Италии :))) жизнь заиграла новыми красками
catvizl, ну и Италия даже в карантине далеко не самое худшее место в мире, посмотрите на это с другой стороны
Войдите, чтобы прокомментировать