Исследования показали, как бактерии используют циркадные ритмы для контроля распространения своих многоклеточных колоний. Полученные результаты дают важные подсказки о том, как мы могли бы улучшить здоровье почвы и рост растений. Они также могут помочь объяснить, как некоторые бактерии распространяют внутрибольничные инфекции.
Исследователи из Центра Джона Иннеса, Мюнхенского университета и Лейденского университета сделали важное открытие во время изучения широко распространенной почвенной бактерии Bacillus subtilis.
Циркадные часы, или циркадные ритмы, согласовывают биологические процессы с 24-часовым солнечным циклом жизни на Земле. Циркадные часы регулируют большую часть нашей физиологии и поведения, например, определяют, ложимся ли мы спать раньше или позже других.
Европейский консорциум обнаружил наличие циркадных часов у Bacillus subtilis, что является одним из первых примеров обнаружения таких клеточных часов у нефотосинтезирующих бактерий. Лаборатории в США и Аргентине обнаружили часы у бактерий, ассоциированных с человеком, что указывает на широкое распространение циркадных часов в этом древнем и разнообразном классе организмов.
Несмотря на эти открытия, о том, как циркадные ритмы обеспечивают организацию колоний бактерий, было известно очень мало.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, группа ученых использовала ряд экспериментов, которые убедительно подтверждают теорию о том, что циркадные часы действуют как главный регулятор, контролирующий экспрессию различных генов и скорость роста бактериальных колоний. Экспрессия генов в разных колониях демонстрирует сходство с циркадным контролем многоклеточных организмов, таких как растения и животные.
Для этого открытия команда проанализировала колонии B. subtilis, распространяющиеся по чашкам Петри с агаровым гелем. Они заметили, что B. subtilis образует концентрические кольца по мере распространения на чашках Петри, напоминая кольца гниения, вызываемые грибами на осенних яблоках.
В постоянных условиях группа исследователей наблюдала, что бактериальная колония распространялась со скоростью одно кольцо за каждые 24 часа.
Ученые разработали серию экспериментов, в которых изменялись условия окружающей среды, такие как длина волны света (синий и красный свет) и температура. Это позволило им проверить, может ли характер развития бактерий и экспрессии генов изменяться в ответ на эти внешние стимулы, или же сохраняется 24-часовой цикл, что указывает на самоподдерживающиеся и внутренне управляемые биологические часы.
Исследовательская группа заметила, что концентрические кольца образовывались по краю колонии примерно раз в день при любых условиях, что соответствует циркадному ритму.
В дальнейших экспериментах команда использовала метод люциферазного анализа, включающий биолюминесцентный фермент, который позволяет отслеживать экспрессию генов во времени и пространстве.
Визуализация биолюминесценции показала, что гены, участвующие в образовании биопленок — слизистого материала, связывающего сообщества бактерий, — четко экспрессировались в очень специфические и индивидуальные моменты времени в течение 24 часов, как и гены, участвующие в спорообразовании — процессе, при котором клетки переходят в состояние покоя.
«Мы обнаружили, что биологические часы регулируют структуру колоний Bacillus subtilis, скорость распространения колонии по чашкам Петри и определяют закономерности экспрессии генов в зависимости от времени суток», — сказал первый автор исследования доктор Джек Дорлинг, научный сотрудник Центра Джона Иннеса.
«Bacillus subtilis — это почвенная бактерия, которая также связана с растениями. Мы считаем, что бактериальные циркадные часы организуют экологию почвенных микроорганизмов и могут играть роль в поддержании роста растений», — добавил он.
Консорциум MicroClock, финансируемый Европейским исследовательским советом и занимающийся этим исследованием, проводит эксперименты для выявления механизмов работы «часов» Bacillus subtilis и того, как это влияет на экологию и эволюцию бактерии.
Данное исследование является свидетельством сочетания навыков, объединенных в этом европейском консорциуме, в который входят исследователи из Центра Джона Иннеса, Мюнхенского университета и Лейденского университета.
«Это пример того, как большая европейская команда работает в синергии между несколькими лабораториями. Мы разработали методы, ресурсы и протоколы, обмениваясь результатами работы с этой междисциплинарной командой в течение десяти лет», — сказал профессор Энтони Додд, руководитель группы в Центре Джона Иннеса и один из авторов статьи.
Эволюционное расстояние между B. subtillis и двумя видами бактерий, ассоциированных с человеком и имеющих циркадные ритмы (Klebsiella aerogenes и Acinetobacter baumanii), предполагает, что циркадные ритмы могут быть широко распространены среди нефотосинтезирующих бактерий и в биологическом домене прокариот.
Это открывает новое направление исследований в области хронобиологии, принося пользу биотехнологиям и медицине. Профессор Марта Мерроу из Мюнхенского университета сказала: «Наша цель — описать «как» и «почему» работают циркадные часы у этой бактерии, чтобы другие могли легче обнаружить циркадные часы у тысяч других бактерий. Мы считаем, что Bacillus не одинок в своих ритмах!»
Это исследование также помогло изменить представления о том, как бактерии выживают и процветают в окружающем нас мире, объясняет профессор Додд: «Люди склонны представлять бактерии как отдельные клетки, плавающие в воздухе, но микробиологи знают, что они являются частью матрикса, заключенного в биопленку. Зная это, можно рассматривать бактерии как многоклеточную структуру, и благодаря этой работе у нас есть научная модель Bacillus subtilis для изучения циркадных ритмов в многоклеточных организмах».
Статья о циркадных часах Bacillus subtilis, координирующих сложную пространственно-временную организацию, опубликована в журнале Nature Communications.
Источник: John Innes Centre.
На фото: характерные кольца, образуемые бактерией B. subtillis, распространяющейся по агаровому гелю. Изображение предоставлено доктором Джеком Дорлингом.