Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Могут ли бактерии определять время?
Люди, животные и растения имеют так называемый “циркадный ритм”, который представляет собой внутренние часы тесно связанные с 24-часовым циклом дня. Поскольку этот ритм зависит от естественного процесса смены дня и ночи, неудивительно, что циркадный ритм был обнаружен и у фотосинтезирующих бактерий, которые использует свет для вырабатывания энергии. До сих пор ученые не смогли найти такой же механизм у нефотосинтезирующих микроорганизмов. Почему же тогда циркадный ритм важен? Бактерии важны для человеческой деятельности, так как они играют важную роль в экологии, здравоохранении и промышленных биотехнологиях. Возможность понять и воспользоваться преимуществами механизма внутренних часов может иметь большое влияние на те виды деятельности, которые имеют тесную привязку ко времени как, напрмер, биотехнология, производство медикаментов или сельское хозяйство.
Zheng Eelderink-Chen и его коллеги впервые обнаружили такой механизм у Bacillus subtilis (также известная, как сенная палочка) – бактерий, которые обитают в почве и желудочно-кишечном тракте травоядных млекопитающих и людей. Эти микроорганизмы весьма интересны, так как они используются в производстве стиральных порошков, а также в защите растений от вредителей.
Исследователи изучили различные zeitgebers (термин на немецком языке буквально переводимый как “таймер”), чтобы увидеть, как сигналы окружающей среды влияют на процессы в клетках. Один из этих процессов был связан с фоторецептором синего света (кодируемый геном ytvA), который является неотъемлемой частью циркадных систем (в том числе в растениях и грибах). Второй ген (kinC), ставший центром исследования, участвует в образования биопленок и спор в бактериях.
Чтобы изучить насколько активны эти гены, ученые соединили ген, кодирующий белок люцифераза, с соответствующими промоторами. Это привело к производству биолюминесцентного фермента, позволяющего исследователям визуализировать активность генов бактерий.
Первый изученный zeitgeber был связан с естественным циклом смены дня и ночи. В течении 12 часов бактерии находились в условиях света или темноты. Всу это время ученые измеряли биолюминесценцию люциферазы. Было обнаружено, что уровни экспрессии генов ytvA и kinC увеличивались в период темноты и уменьшались на свету! Если бактерии были оставлены в условиях темноты на продолжительное время, экспрессия генов оставалась на том же уровне, но, через несколько дней, активность уменьшалась.
Y axis: Интенсивность биолюминесции
Аналогичные эксперименты были проведены в период небольшого изменения температуры: выращивание бактерий было произведено при температуре 25,5°C и 28,5°C в течении 12 часов. Удивительно, но, в отличие от цикла смены света и темноты, активность генов была выше во время теплой фазы, которая соответствует дневному времени суток. Исследователи также показали, что циркадные ритмы зависят от таких характеристик, как окружающая среда, количество доступных питательных веществ, и температура. Более того, было показано что только те культуры бактерий, которые образуют биопленку, имеют циркадные ритмы.
Это исследование может положить начало новой эры гипотез и исследований. К примеру, важно ли время суток, когда бактерии подвергаются заражению? Можно ли оптимизировать биотехнологические процессы, учитывая время суток? Теперь, когда доказано что бактерии могут определять время, ученым нужно выяснить, почему наличие этого механизма является преимуществом для бактерий.
Перевод был сделан Марией Мартыновой
micro-bites.org 