Мікроорганізми під стресом відмовляються від співпраці заради виживання

Міжнародна група дослідників, до якої увійшов Ігнасіо Х. Мелеро-Хіменес з кафедри ботаніки та фізіології рослин Університету Малаги, провела унікальне дослідження щодо поведінки мікроорганізмів в умовах екстремального стресу. Результати цієї роботи, нещодавно опубліковані в журналі Nature Communications, розкривають несподівані аспекти еволюційного порятунку мікробних спільнот.

Дослідження, що тривало понад два роки, було реалізоване завдяки співпраці науковців з Єрусалимського єврейського університету та Центру біотехнології рослин і геноміки UPM-INIA/CSIC в Мадриді. Основна частина експериментів проводилася в Ізраїлі під керівництвом дослідника Джонатана Фрідмана, а подальший генетичний аналіз та обробка даних здійснювалися в Мадриді під керівництвом фахівця Алехандро Коуче.

Для проведення експерименту науковці використали синтетичну модель, засновану на двох генетично модифікованих штамах кишкової палички Escherichia coli. Ці штами були спеціально розроблені таким чином, щоб повністю залежати один від одного: кожен штам виробляв незамінну амінокислоту, необхідну для виживання іншого штаму.

Експериментальна фаза дослідження полягала у вирощуванні цих мікробних спільнот у контрольованих лабораторних умовах з подальшим піддаванням їх сильному екологічному стресу. Мета полягала в спостереженні за їхньою еволюційною відповіддю протягом тривалого часу.

Для порівняння дослідники використовували предковий штам, який не залежав від партнера для виживання. Цікаво, що коли мутуалістичні спільноти зазнавали стресу, найшвидшим еволюційним рішенням виявився розрив мутуалізму — взаємовигідних відносин між організмами.

Науковці застосували підхід експериментальної еволюції для аналізу реакції мікробної спільноти на стрес. Під час експерименту вони спостерігали, що замість посилення мутуалізму, він руйнується в екстремальних умовах. Для розуміння механізмів цього руйнування були використані генетичні та фенотипні методи дослідження.

Результати виявилися неочікуваними: залежність організмів один від одного робила бактерії більш вразливими до стресу. Натомість ті особини, які змогли забезпечити самостійне існування, мали більше шансів на виживання. Це відкриття свідчить про те, що хоча мутуалізм може бути вигідним у стабільному середовищі, він може стати недоліком, коли умови стають несприятливими.

Це дослідження порушує важливе питання: якщо співпраця настільки поширена в природі, чому вона виявляється такою крихкою при зміні умов? За словами Мелеро-Хіменеса, ця робота надає нові ключі до розуміння меж співпраці між мікроорганізмами в умовах, коли середовище стає ворожим.

Важливість цього дослідження полягає в тому, що воно демонструє механізм «еволюційного порятунку» — швидкої генетичної адаптації, яка дозволяє організмам уникнути вимирання в критичних ситуаціях. У цьому конкретному випадку розрив мутуалізму виступає як еволюційне рішення для запобігання вимиранню.

Це відкриття має важливе значення для розуміння того, як мікроорганізми реагують на глобальні зміни довкілля, включаючи глобальне потепління, підвищення рівня моря та забруднення повітря. Воно також може мати практичне застосування в різних галузях, від медицини до екології, де розуміння поведінки мікробних спільнот є критично важливим.