Бактерии мутировали в провода
Биологи впервые зафиксировали прямую передачу электронов между бактериями разных видов. Мутация, которая помогает создать такой путь для эффективного совместного питания разных видов, возникает прямо на глазах.
Недавно Infox.ru писал о способности бактерий проводить электроны по «нанопроводам» -- тончайшим нитям (пилусам) на поверхности клетки. Новое исследование, опубликованное в Science, показало, что электрическая связь – переход электронов может возникать между бактериями разных видов. Также работа ответила на вопрос, зачем нужна такая связь. Дерек Лоули (Derek Lovley), Зарат Саммерс ( Zarath Summers) и их коллеги из Массачусетского Университета (University of Massachusetts, Amherst) доказали, что таким способом анаэробные бактерии кооперируются для совместного питания.
То, что бактерии разных видов способны к непрямому обмену электронами, известно уже давно. Так происходит, например, в сообществе метанобактерий: одни его члены превращают этанол в остаток уксусной кислоты и водород, а другие потребляют водород и производят метан. Но о прямом переходе электронов между бактериями разных видов пока не сообщалось.
У каждой бактерии своя роль
Ученые работали с двумя видами бактерий рода Geobacter. Они культивировали вместе Geobacter metallireducens и Geobacter sulfurreducen в присутствии этанола. G. metallireducens окисляет этанол и восстанавливает Fe(III) с выделением водорода. G. sulfurreducens не может непосредственно перерабатывать этанол, но потребляет водород. Так в совместной культуре происходит разделение труда.
На первых порах культура растет довольно медленно, и ей требуется около 30 дней для того, чтобы переработать 70% этанола. По правилам культивирования биологи периодически отбирали 1% клеток и пересаживали их в свежую среду. И по мере пересадок процесс переработки этанола стал идти все быстрее и быстрее. В конце микробы справлялись с переработкой 70% этанола всего за 4 дня. Но параллельно с ускорением они и сами менялись. Если вначале бактериальные клетки в культуре содержались отдельно и, естественно, не были видны невооруженным глазом, то затем они образовали видимые скопления. К 12-й пересадке они выглядели как хлопья, а к 30-й пересадке приобрели сферическую форму диаметром 1-2 мм.
Для эффективного разделения труда нужна тесная кооперация
Под электронным микроскопом агрегаты выглядели как пористые структуры, образованные бактериями двух видов. Количественная полимеразная цепная реакция показала, что доля G. metallireducens в агрегатах составляет примерно 15%.
Ученые пометили клетки двух видов Geobacter красным и зеленым флуоресцентными красителями. На раскрашенных агрегатах стало видно, что клетки одного вида образуют друг с другом кластеры.
Агрегаты приобрели качественно новые свойства, что позволяет им обеспечивать прямую передачу электронов между клетками. То, что агрегаты приобрели свойство электропроводности, подтвердилось, когда их поместили между двумя электродами. «Прямая передача электронов намного более эффективна, чем опосредованная, поэтому бактериальные агрегаты перерабатывают этанол гораздо быстрее», -- объясняет Саммерс.
Полезная мутация
После 15-й пересадки (примерно на 100-м поколении) биологи секвенировали ДНК обеих бактерий. Оказалось, что в геноме G. sulfurreducens произошла мутация. Мутация увеличила содержание в клетках G. sulfurreducens белка OmcS , относящегося к цитохромам – передатчиками электронов. Этот белок концентрируется вдоль бактериальных нитей – «нанопроводов». Ученые считают, что белки-цитохромы обеспечивают прямую передачу электронов от одной клетки к другой. Чтобы проверить роль белка OmcS, его убрали путем нокаутирования соответствующего гена. Культура с мутантными бактериями не образовывала агрегаты и не могла эффективно перерабатывать этанол.
Если же мутацию, благоприятствующую передаче электронов, заложить в G. sulfurreducens изначально, то при совместном ее культивировании с G. metallireducens межвидовые агрегаты возникают быстрее – не на 30-й день, а на 21-й.
Исследователи пришли к заключению, что прямая передача электронов для эффективного совместного питания стимулирует бактерии разных видов к кооперации в агрегаты. Отбор на это полезное свойство привел к быстрому возникновению полезной мутации, в течение одного эксперимента.
«Мы предполагаем, что многие типы межвидовых агрегатов в природе основаны на передаче электронов, -- говорит Лоули. – И можем проследить, как микробы эволюционировали, чтобы сделать этот процесс эффективнее».
Ученые считают, что изучение бактериальных агрегатов поможет использовать их для эффективной переработки отходов.