Нехватка ресурсов научила бактерий договариваться

Американские биологи обнаружили, что в условиях нехватки питательных веществ бактерии готовы уступать ресурсы соседствующему конгломерату, и, таким образом, обеспечить выживание и достаточно бурный рост обеих групп. Работа опубликована в журнале Science.

Ученые продолжают изучение механизмов коммуникации Bacillus subtilis (сенной палочки). Ранее мы писали о том, что эти бактерии оказались способны к слаженной работе в биопленках (так называют закрепленные на субстрате крупные колонии). Бактерии из одной части биопленки не дают погибнуть организмам, расположенным далеко от источников питания. Также был описан механизм «общения» бактерий в биопленке через электрические сигналы, и механизм привлечения новых бактерий в сообщество. Теперь же ученые решили выяснить, способны ли соседствующие биопленки влиять на темпы роста друг друга. 

Две биопленки поместили в специальную камеру, обеспеченную постоянно поступающим питательным раствором. В одних камерах концентрация глутамата была достаточной, в других — сниженной на четверть. Выяснилось, что колонии способны общаться между собой, и, вынужденные делить питательные вещества, они могли выбрать стратегию конкуренции, либо попытаться скоординировать свои действия. Дело в том, что биопленки сенных палочек попеременно находятся то в фазе покоя, то в фазе роста. Во время фазы покоя им не требуются питательные вещества, потому, когда ритмы двух биопленок синхронизированы, во время сна возникает «простой» — питательный раствор не потребляется никем из них, но продолжает поступать.

В условиях достатка бактерии синхронизировали свои ритмы (фазы роста и покоя), питаясь одновременно и разделяя пополам поступающие питательные вещества. Но в условиях дефицита такая стратегия привела бы к голоданию, поэтому ученые предположили, что для выживания бактериям пришлось бы перестроиться таким образом, чтобы питаться по очереди. Такая стратегия использования ресурсов называется разделением времени и используется, в частности, для эффективного распределения вычислительных мощностей компьютера, когда ими пользуются несколько пользователей. Поочередное пользование позволяет снизить время простоя, а в случае с биопленками — избежать утечки питательного раствора. 

Экспериментальные данные подтвердили прогнозы: в условиях дефицита группы бактерий перешли в более эффективный режим кооперирования и начали питаться по очереди. Причем они сумели даже обогнать группу достатка по темпам роста. 

Таким образом, наблюдения действительно подтвердили способность бактерий действовать организованно не только в пределах одной биопленки, но и с конгломератом по соседству. Остается непонятным, зачем колонии синхронизировали темпы роста в условиях достатка, и повторятся ли эти сценарии, если к сенным палочкам подселить группу бактерий другого вида, или же поведение разделения времени действует, только когда колонии родственные, а значит направлено на сохранение вида. С другой стороны, поскольку данное поведение естественных биологических систем напоминает распределение ресурсов в компьютерных системах, эта связь может быть использована в будущем для решения прикладных задач в области синтетической биологии.

Анна Зинина