Черви выбрали пищевое поведение с помощью простой нейронной цепи
Исследователи описали нейронную цепь, которая позволяет червям выбирать между оседлым и подвижным пищевым поведением. Для этого ученые записали активность нейронов нематод в обоих состояниях и проанализировали ее при помощи нейросетевого классификатора. Оказалось, существует нейрон, способный переключать цепи, соответсвующие двум состояниям, на основе запаха еды. Препринт исследования опубликован на сайте журнала eLife.
Нематоды Caenorhabditis elegans, как и другие животные, способны долгое время поддерживать типы поведения: например, сон, питание или агрессия. В то же время червям важно быстро реагировать на меняющиеся условия среды и изменять свое поведение соответственно им. Однако до сих пор не до конца понятно, как нейроны нематод управляют таким переключением.
Например, при питании — обычно черви едят бактерии — животные могут находиться в двух состояниях: оседлом (dwelling) и подвижном (roaming). Каждое из состояний может длиться до десяти минут, а переключение зависит от уровня сытости, сенсорных стимулов или даже запахов. Известно, что на это переключение влияют нейромодуляторы — серотонин (стимулирует подвижность) и пигментный дисперсный фактор (ПДФ, стимулирует оседлость).
Исследователи из Массачусетского технологического института под руководством Ни Жи (Ni Ji) определили нейронную цепь, которая выполняет нейромодуляторное переключение. Для этого биологи сначала записали активность десяти нейронов у свободно двигающихся червей. В число этих клеток вошли те, что производят нейромодуляторы серотонин и ПДФ, либо рецепторы к ним, а также связанные с такими нейронами клетки и нейроны передвижения.
Из-за того, что в состоянии подвижности черви часто меняют направление движения на противоположное, биологи в первую очередь проверили, как активность выбранных нейронов зависит от его изменения. Естественную нейронную сеть нематод проанализировали при помощи нейросети-классификатора — оказалось, паттерны активности нейронов в двух состояниях отличались достаточно, чтобы отличить их с эффективностью более 95 процентов.
После этого биологи оценили, как система нейромодуляторов воздействует на паттерны активности каждого из состояний. Для этого работу нейронов записали снова — но уже у нематод со «сломанными» генами систем нейромодуляторов: серотонина, ПДФ или обоих. Исследователи обнаружили, что активность нейрон а NSM у животных без мутаций коррелирует с замедлением — то есть с оседлостью и, соответсвенно, работой серотониновой системы. У мутантов без мутаций нейрон был активен меньшее количество времени. Дальнейшие исследования мутантов позволили найти еще один нейрон — MOD-1 — который взаимно ингибировал NSM. Таким образом, NSM — серотониновый нейрон, который способен усиливать сам себя через подавление MOD-1.
Ученые продолжали записывать активность разных нейронов червей с разными мутациями и им удалось построить простой контур, который переключал состояния червя в зависимости от активности нейронов, которые регулируются серотонином или ПДФ. Если в такую систему входит серотонин — контур работает на генерацию оседлости, а если ПДФ — на подвижность. Эту систему контролировал нейрон AIA, «выбирающий» один из контуров в зависимости от данных об условиях окружающей среды — количества пищи вокруг червя. Эту гипотезу подтвердило исследование активности AIA в условиях с разным количеством пищи.
Процесс поиска пищи по запаху — хемотаксис — изучила другая группа биологов. В недавнем исследовании они показали, как активность нейронов рецепторного органа и ганглия позволяют животным ощущать концентрацию нужных веществ и двигаться в их направлении.
Анна Муравьёва
Бактерии научились инактививровать антибактериальную ДНК-гиразу
Немецкие ученые выяснили, что супербактерии, сохранявшие чувствительность к экспериментальному антибиотику альбицидину, защитились от него с помощью амплификации гена STM3175. Этот ген отвечает за регуляцию транскрипции малых молекул с доменом связывания, подобным ингибитору ДНК-гиразы — основы антибиотика альбицидина. Такое увеличение копии гена приводит к тысячекратному повышению уровня резистентности к препарату. Исследование опубликовано в PLoS Biology. В 2019 году почти пять миллионов человек погибло из-за бактерий, устойчивых к большинству известных антибиотиков, — супербактерий. По оценкам ученых к 2050 году это число увеличится в два раза. Основной причиной развития резистентности к противомикробным препаратам признано нерациональное их использование в медицине, ветеринарии и зоотехнии в сочетании с недостаточным пониманием механизмов бактериальной резистентности. Однако влияют и другие факторы: например, загрязнение атмосферы. Ученые постоянно ищут новые молекулы, которые были бы активны против супербактерий. Таким многообещающим соединением стал альбицидин — фитотоксичная молекула, вырабатываемая бактерией Xanthomonas albilineans, в исследованиях была эффективна против целого ряда супербактерий. Альбицидин ингибирует активность бактериальной ДНК-гиразы (топоизомеразы II) и эффективно действует на ковалентный комплекс ДНК и гиразы в крайне низких концентрациях. В нескольких исследованиях уже сообщалось о развитии резистентности к этой молекуле у некоторых бактерий, однако ее механизмы оставались не до конца выясненными. Команда ученых под руководством Маркуса Фульда (Marcus Fulde) из Свободного университета Берлина изучала механизмы резистентности к альбицидину, которая развилась у Salmonella typhimurium и Escherichia coli. Для этого они подвергали бактерии воздействию высоких концентраций более стабильного аналога антибиотика и наблюдали за ростом колоний в течение 24 часов. Из 90 протестированных клонов 14 показали рост в этих условиях. Секвенирование генома этих штаммов показало, что большинство (девять штаммов) несет мутации в гене tsx, ответственном за экспрессию нуклеозидспецифичного порина, что в 16 раз увеличивало минимальную ингибирующую концентрацию (MIC) антибиотика. Один из оставшихся пяти резистентных штаммов с интактным геном tsx демонстрировал более чем стократное повышение MIC, и анализ данных секвенирования его ДНК выявил амплификацию гена, приводящую к образованию 3-4 копий геномной области без однонуклеотидных полиморфизмов. При дополнительном анализе этого штамма ученые выяснили, что перекрывающаяся амплифицированная область содержит ген STM3175, который транскрибируется полицистронно в структуре оперона и N-концевой части qseB. Более тщательное изучение аминокислотной последовательности показало, что STM3175 состоит из 2 доменов: N-концевого AraC-подобного ДНК-связывающего домена и C-концевого GyrI-подобного лиганд-связывающего домена. Ученые обнаружили, что такая структура позволяет STM3175 связывать альбицидин с высокой аффинностью и инактивировать его. У разных бактерий обнаружились гомологи этого гена с теми же функциями, при этом на эффект других антибактериальных препаратов они не влияли. Знание нового механизма развития устойчивости к альбицидину позволит ученым разрабатывать новые способы модификации молекулы, чтобы обойти этот механизм. Ранее ученые обнаружили антибактериальную молекулу с широким спектром действия, которая не вызвала резистентности у микроорганизмов.