Безумные ученые годами морят бактерии голодом.

                                

Разбираем мир микробиологии по кусочкам


Безумные ученые годами морят бактерии голодом.

Виды бактерий, которые требуют больше времени для размножения, дают возможность изучить процесс бактериального развития клеток с течением времени, и позволяют даже самым медленно растущим бактериям вырасти в достаточном количестве для их изучения. В своем исследовании, Ratib и его коллег провели эксперимент длиной в 1200 дней, чтобы вырастить кишечную палочку и изучить адаптации этой бактерии к стрессовым ситуациям.

В течение 1200 дней, бактерии не получали питательные вещества. В ходе эксперимента были взяты образцы для подсчета клеток, изучения новых клонов, и секвенирования полного генома. 

Бактерии размножаются путем деления, разделяясь на две идентичные части. Таким образом, каждая дочерняя клетка является клоном материнской клетки. В процессе деления, в геноме бактерий могут образоваться ошибки, которые вызывают мутации и могут передаться следующему поколению. 

А: Фазы роста бактерий В: Деление клетки бактерии

Бактерии проходят через несколько фаз роста:

  1. Лаг фаза-фаза задержки и адаптации к новой среде обитания
  2. Фаза экспоненциального роста-рост происходит в экспоненциальной манере
  3. Стационарная фаза-фаза, при которой в среде обитания начинает не хватать питательных вещества для роста (фаза “голодания”)
  4. После стационарной фазы, клетки начинают вымирать…
  5. Но некоторые выжившие поколения переходят в длинную фазу ожидания “лучших дней” (фаза “выжившие”)

В процессе эксперимента, Ratib и его коллеги не добавляли свежие питательные вещества в растущую бактериальную среду, тем самым создавая условия “голодания”. Следовательно, бактериям приходилось перерабатывать оставшиеся доступные питательные вещества. Выжившие организмы были вынуждены находить питательные вещества в окружающей среде…и этими питательными веществами стали мертвые бактерии, которые не перенесли период голодания. Бактерии были вынуждены адаптироваться к использованию питательных ресурсов из мертвых клеток для получения энергии. Так произошел переход от употребления глюкозы, как основного материала питания, к аминокислотам (строительным блокам белков) и нуклеиновым кислотам (строительным блокам молекул ДНК). 

С использованием техники секвенирования полного генома (рассматривая всю последовательность ДНК бактерий), авторы смогли увидеть мутации и расхождения в родственных линиях. Они обнаружили, что две основные субпопуляции бактерий могут сосуществовать и адаптироваться к внезапным изменениям на протяжении всего эксперимента. Мутации были обнаружены в тех генах, которые необходимы для долгосрочного выживания и стрессовых ситуаций, а также в генах ответственных за переход к использованию нового источника энергии.

Понимание того, как бактерии адаптируются к неблагоприятным условиям (таким как голод или другие стрессовые ситуации), позволяет ученым лучше понять механизмы выживания этих бактерий в реальных условиях под воздействием стресса.

Исследование длиной 1200 дней не было самым долгим экспериментом по выращиванию кишечной палочки. Первое место занимает эксперимент, начатый в 1988 году. 73,000 поколений микроорганизмов было выращено к началу 2020 года, но, из-за пандемии COVID-19, эксперимент пришлось приостановить. Однако, этот эксперимент был прерван не в первый раз, и растущие бактерии можно было заморозить и разморозить для продолжения эксперимента. В сентябре 2020 года исследование было запущено вновь, и будет финансироваться до 2025 года! Да здравствует рост кишечной палочки. 


Nicole R. Ratib, Fabian Seidl, Ian M. Ehrenreich, Steven E. Finkel. Evolution in Long-Term Stationary-Phase Batch Culture: Emergence of Divergent Escherichia coli Lineages over 1,200 Days mBio Jan 2021


Перевод был сделан Марией Мартыновой