Когда еды совсем мало, бактерии могут стать альтруистами и погибнуть ради блага колонии. Если же еды навалом, они вовсю конкурируют друг с другом. Генетики раскрыли генетический механизм, который и определяет степень социализации микроорганизмов.
В 2006 году ученые зарегистрировали мутацию, после которой образовался совершенно новый штамм бактерий Myxococcus хanthus. Бактерии приобрели способность объединяться в коллективы и образовывать плодовые тела без посредников. И таким способом смогли «оградиться» от паразитов. Теперь в журнале Science от 20 мая появилась статья Adaptive Evolution of an sRNA that controls Myxococcus Development, в которой ученые продолжили исследование и показали, что ключевую роль в социальном поведении у бактерий могут играть малые молекулы РНК.
Альтруисты и халявщики
Myxococcus xanthus – типичный представитель миксобактерий, которых ранее относили к грибам и называли миксомицетами. M. xanthus обитает в сырых, богатых органикой почвах: в расщелинах, пнях, под слоем гниющей листвы.
Миксомицеты проявляют достаточно сложное и организованное социальное поведение, в которое могут вовлекаться миллионы отдельных организмов. При этом их действия четко скоординированы и направлены на приобретение эволюционных, а не личных преимуществ.
Так как миксококки -- бактериофаги, они устраивают групповую «охоту» за другими бактериями. «Лучники» стреляют цитотоксическими веществами, после чего приступают к трапезе – всасывают высвободившиеся из погибшей добычи питательные вещества. В «голодные времена», когда охотиться не за кем, миксобактерии образуют «домики со спорами» -- плодовые тела. В плодовых телах лишь некоторые из бактерий образуют споры, другие выполняют функции строительного материала и погибают. Так миллионы организмов кооперируются и жертвуют собой ради будущего поколения.
Среди миксококков есть и те, которые не способны самостоятельно «строить» плодовые тела. Но они с большим успехом образуют споры в чужих «домиках». Один из таких штаммов – OC (от английского obligate cheater -- облигатный обманщик).
Птица феникс, восставшая из пепла
Напомним, как биолог Грегори Велисер (Gregory J. Velicer) из Университета Индианы (Indiana University) исследовал бактериальную систему «паразит–хозяин». Через несколько экспериментальных циклов количество паразитических бактерий значительно возросло, и альтруисты начали погибать. Когда система «паразит--хозяин» была на грани коллапса, «из пепла» появился совершенно новый штамм. Велисер назвал его PX (от английского phoenix – феникс). Этот штамм оказался более конкурентоспособным по отношению и к доэкспериментальному штамму, в котором гармонично существовали альтруисты и те, кто образовывал споры. Более того, PX оказался защищенным от действия паразитов. То есть новый, возникший в результате мутации штамм самостоятельно образовывал плодовые тела. PX оградился от других штаммов, в том числе и от паразита OC.
Ученые провели генетический анализ и обнаружили замену одного нуклеотида в регуляторной части хромосомы. От спонтанной мутации появился не альтруистический и не паразитический штамм: PX более похож на индивидуалиста, который ограждает себя от ненужных контактов и заботится о благосостоянии особей своей «семьи».
Ген в основе поведения
Генетический анализ показал, что появление PX есть не что иное, как эволюционное новообразование: PX имел 14 мутаций, которых не было у OC. Ученые предположили, что приобретенные изменения и эволюционные преимущества должны быть связаны с мутацией какого-то регуляторного гена. Поэтому в новой работе исследователи обратили особое внимание на ген, кодирующий малую РНК. «Мы знаем, что малая молекула РНК не кодируют протеины, а участвует в экспрессии других генов», -- говорит Велисер. Ученые выяснили, что малая молекула некодирующей РНК, возможно, укорачивает ген Pxr, который и определяет социальное поведение бактерий.
Предварительное заключение ученые проверили дополнительными опытами. И по результатам эксперимента, опубликованного в журнале Science, сделали вывод: именно мутация по одной паре нуклеотидов у первоначального (дикого) штамма позволила рожденному «фениксу» восстановить плодовое тело. Генетическая программа дикого штамма (ген Pxr) мешала бактериям формировать плодовые тела и образовывать споры в условиях, когда пищи было достаточно. Как только количество пищи снижалось, они приступали к строительству «убежища», снимая «блокировку» гена Pxr. Бактерии «снимали» блокирующее действие гена Pxr не сразу, а по мере уменьшения количества доступной пищи. Этот же ген не позволял OC образовывать плодовое тело, так как паразитический штамм не мог снять «блокировку» гена Pxr.
Ученые обнаружили два варианта гена Pxr: короткий и длинный. Короткий ген проявляет описанную активность и, по всей видимости, появляется благодаря работе малой молекулы некодирующей РНК. Исследователи также предполагают, что появление нового штамма PX тоже связано с мутациями по гену малой РНК.
«Исследования, подобные этому, позволяют понять фундаментальные основы взаимодействия организмов и эволюционных новообразований», -- говорит Велисер.
