Остання воля: як мертві бактерії годують своїх живих родичів

Коли бактерії гинуть, їхні тіла руйнуються і виділяють справжній бенкет поживних речовин для сусідніх мікробів. Живі клітини поглинають молекули, що вивільняються з мертвих, і, своєю чергою, самі стають їжею для інших, коли помирають, продовжуючи процес колообігу поживних речовин. Однак довгий час залишалося загадкою, як саме відбувається цей процес на молекулярному рівні.

Бактерії є вибагливими їдцями: вони не можуть поглинати великі молекули, такі як білки, які мають бути розщеплені на амінокислоти та менші пептиди за допомогою ферментів протеаз. З огляду на це, вчені намагалися краще зрозуміти, як мікроби збирають та обробляють поживні речовини від своїх мертвих сусідів.

Нове дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications, показало, що бактерія Escherichia coli кодує фермент, який допомагає розщеплювати білковий вміст після її смерті, щоб сусідні бактеріальні клітини могли харчуватися залишками. Результати висвітлюють новий посмертний біохімічний механізм і дають глибше розуміння процесів колообігу поживних речовин.

«Ми зазвичай вважаємо, що смерть — це кінець», — сказав Мартін Канн, біохімік з Даремського університету та один з авторів дослідження. «Те, що демонструє наша робота, принаймні для цієї бактерії, — це те, що… генетично закодовано, що після смерті є принаймні один фермент, який все ще має функціональну роль в екосистемі».

Спочатку робота Канна була зосереджена на сприйнятті вуглекислого газу мікробами та іншими організмами. У 2019 році він відвідав доповідь Вілсона Пуна, теоретичного фізика з Единбурзького університету і співавтора дослідження, про фізику смерті, яка надихнула Канна зануритися в нову область досліджень колообігу поживних речовин. Пун представив гіпотезу про оптимальний спосіб смерті організму для його використання іншими організмами. Зацікавлений теорією та відсутністю експериментальних доказів, що підтверджують її, Канн об'єднав зусилля з Пуном незабаром після цього, щоб дослідити це явище у бактерій.

Смерть бактерій є необхідною у процесі колообігу поживних речовин, широко поширеного явища серед бактерій. Для вивчення його механізму дослідники обрали E. coli. Вони вивчали вплив матеріалу з мертвих клітин E. coli — лізату — на живі клітини E. coli. Живі клітини, оброблені лізатом, показали покращений ріст порівняно з контрольними зразками, обробленими водою.

Канн та його команда висунули гіпотезу, що білки, вивільнені мертвими клітинами, були бенкетом, який стимулював ріст живих клітин. Оскільки бактерії не можуть поглинати цілі білки, дослідники вивчали, як ферменти розрізають білки на джерело поживних речовин, яке можуть використовувати живі бактерії. Наступне питання, яке постало перед ними, полягало в тому, чи походять ці ферменти від живих клітин чи від мертвих.

Виходячи з гіпотези Пуна, Канн вважав, що джерелом ферментів є мертві клітини. Вони використовували штам E. coli, в якому відсутні дві важливі протеази: Lon і протеаза зовнішньої мембрани T (OmpT). Цей клітинний лізат не покращував ріст живих клітин дикого типу, підтверджуючи роль цих ферментів у колообігу поживних речовин.

Щоб точно визначити відповідальний фермент, Канн та його команда використовували лізат штаму E. coli, в якому відсутня кожна з протеаз, для годування живих клітин. Хоча мертві клітини без OmpT покращували ріст живих клітин, лізат, отриманий з клітин без Lon, цього не робив, що свідчить про те, що протеаза Lon розщеплює білки, вивільнені після смерті, роблячи їх доступними для інших живих бактерій.

Далі дослідники обробили E. coli, в яких відсутня протеаза Lon, лізатом E. coli дикого типу. Це покращило ріст живих клітин, вказуючи на те, що живим клітинам не потрібна протеаза Lon для колообігу поживних речовин; фермент відіграє посмертну роль.

Це було значною зміною парадигми, зазначив Канн. «Ми перейшли від мислення про живі організми, що розщеплюють мертві, до мертвих організмів, що кодують власний розпад після смерті».

Канн та його команда також досліджували, чи система Lon має якусь перевагу для живих клітин. Оскільки протеаза Lon допомагає руйнувати шкідливі розгорнуті білки, які виробляються в умовах стресу, дослідники піддавали клітини тепловому шоку. Клітини дикого типу, що пережили тепловий шок, росли краще, ніж клітини без Lon, що свідчить про те, що окрім посмертної користі, фермент надає приватну користь клітинам, які його виробляють.

Однак коли Канн та його команда вирощували разом клітини, що виробляють Lon, з невеликою кількістю клітин без Lon, остання популяція значно зросла, демонструючи, що інші клітини можуть експлуатувати виробників Lon. Хоча експлуатація зменшувалася в умовах стресу, переваги системи Lon для виробників не переважали витрат.

Це спонукало Канна та його команду запитати, чому така система взагалі мала б розвинутися еволюційно. «Якщо ми думаємо про еволюцію, ми думаємо про еволюцію, що діє на організми та їхню пристосованість, яка робить їх більш здатними до розмноження», — сказав Канн. «Якщо у нас є фенотип, який проявляється після смерті, як щось таке може виникнути через еволюцію?»

У пошуках відповіді дослідники звернулися до Стюарта Веста, еволюційного біолога з Оксфордського університету і співавтора дослідження. Вест раніше показав, що природний відбір сприяє ознаці, якщо вона має позитивний вплив на успіх родичів організму, навіть якщо вона створює високі витрати для самого організму. На основі цього Канн та його команда дійшли висновку, що виробництво протеази Lon — це соціальна адаптація, яку можна частково пояснити цією теорією родинного відбору.

Дослідження було проведено в контрольованих лабораторних умовах, але науковці вважають, що така система, найімовірніше, працює і в природному середовищі. Наступними кроками буде розширення дослідження на більшу кількість ферментів і мікробів. «У різних інших мікробів є різні інші протеази, які досить поширені, і, ймовірно, вони будуть вивільняти їх, коли їхні клітини помирають», — вважають експерти.

«Рухаючись вперед, ми повинні зрозуміти масштаби цього механізму в біології», — погодився Канн. Його команда сподівається маніпулювати такими посмертними ферментами для покращення колообігу поживних речовин у промислових біореакторах для підвищення виходу рекомбінантних білків.