Бактерии устроили массовый суицид для спасения сородичей в войне клоно

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.