Беспрецедентное открытие слияния бактериальных клеток

КОГДА ДВЕ РАЗНЫЕ БАКТЕРИИ СТАНОВЯТСЯ ОДНОЙ

Левая сторона этого изображения изображает слияние клеток между Clostridium ljungdahlii и бактериями C. acetobutylicum, видимыми с помощью флуоресцентной микроскопии. На правой стороне изображено образование гибридных бактериальных клеток.

Исследователи выяснили, как микробные клетки двух разных видов объединяются, образуя гибридные клетки

Как и люди, бактерии живут вместе сообществами, иногда протягивая руку помощи - а в случае бактерий - один или два метаболита, чтобы помочь своим соседям процветать. Понимание того, как взаимодействуют бактерии, имеет решающее значение для решения растущих проблем, таких как устойчивость к антибиотикам, когда инфекционные бактерии формируют защитные механизмы, чтобы помешать лекарствам, используемым для борьбы с ними.

Теперь исследователи из Университета штата Делавэр (UD, University of Delaware) обнаружили, что бактерии делают больше, чем просто работают вместе. Бактериальные клетки разных видов могут объединяться в уникальные гибридные клетки путем слияния их клеточных стенок и мембран и совместного использования клеточного содержимого, включая белки и рибонуклеиновые кислоты (РНК), молекулы, которые регулируют экспрессию генов и контролируют клеточный метаболизм. Другими словами, организмы обмениваются материалом и теряют часть своей собственной идентичности в этом процессе.

Это беспрецедентное наблюдение, о котором было сообщено 1 сенября 2020 г. в MBio, журнале Американского общества микробиологии.

Исследовательская группа, возглавляемая Элефтериосом (Терри) Папуцакисом (Eleftherios T. Papoutsakis), заведующим кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Unidel Eugene Du Pont, изучала взаимодействие между Clostridium ljungdahlii и C. acetobutylicum. Эти виды бактерий работают вместе в синтрофической системе, производя метаболиты, которые взаимно полезны для выживания друг друга.

Команда обнаружила, что C. ljungdahlii вторгается в C. acetobutylicum. Эти два организма объединяют клеточные стенки и мембраны и обмениваются белками и РНК, образуя гибридные клетки, некоторые из которых продолжают делиться и фактически дифференцироваться в характерную программу спорообразования.

«Они смешивают свои механизмы, чтобы выжить или сделать метаболизм, и это своего рода экстраординарно, потому что мы всегда предполагали, что каждый организм имеет свою собственную независимую идентичность и механизм», - сказал Папуцакис.

Рис.1. Группа исследователей UD изучала взаимодействие между Clostridium ljungdahlii и бактериями C. acetobutylicum. На рисунке в красном боксе - бактерия C. acetobutylicum (обознач. Cac), в синем боксе - бактерия Clostridium ljungdahlii (обознач. Clj), в зеленых боксах - ко-культура из Clj и Cac.

Ранее исследователи заметили, что бактерии могут обмениваться некоторым материалом через нанотрубки (см. горизонтальный перенос генов). Комбинация в гибридные клетки была неожиданной.

«Мы впервые показали это на этих бактериях, и это также новый механизм обмена материалами», - сказал Камил Чарубин (Kamil Charubin), докторант в области химической и биомолекулярной инженерии и первый автор статьи.

Хотя этот феномен межвидового слияния микроорганизмов в настоящее время сообщается впервые, он, вероятно, широко распространен в природе среди многих пар бактерий.

Рис.2. Клетки бактерий сливаются вместе, сверху, и образуют гибридные бактериальные клетки, снизу.

Так почему же бактерии пытаются слиться вместе? Простой ответ вероятен, потому что этот процесс позволяет микробам совместно использовать механизмы, которые увеличивают их шансы на выживание.

Например, некоторые патогенные бактерии - те, которые могут вызывать заболевания - могут заимствовать белки у других устойчивых к антибиотикам бактерий, чтобы укрепить свою сопротивляемость. Некоторые бактерии могут заимствовать механизмы у других, чтобы избежать обнаружения иммунной системой. Это также может помочь объяснить, почему некоторые бактерии трудно культивировать или выращивать для исследований или медицинских диагностических целей. Эти трудно культивируемые бактерии могут сочетаться или работать с другими микроорганизмами и зависеть от их существования вместо того, чтобы расти и размножаться сами по себе.

Выводы команды могут повлиять на понимание эволюции биологии, потому что, как только бактериальные виды разделяют механизмы, они могут эволюционировать вместе, а не только эволюционировать самостоятельно, сказал Папуцакис.

«Эти результаты будут направлять новое мышление не только в области микробной эволюции, но и в направлении биотехнологических решений, которые могут принести пользу солдату», - сказал д-р Роберт Кокоска (Dr. Robert Kokoska), руководитель программы армейского исследовательского бюро (ARO), входящего в состав армейской исследовательской лаборатории командования по развитию боевых возможностей армии США. «Они включают в себя исследования того, как человеческий микробиом формирует здоровье и когнитивные способности человека и как микробные сообщества могут быть лучше разработаны для широкого спектра достижений, включая стратегии надежного биологического зондирования в полевых условиях, рекультивации отходов и новых средств биосинтеза».

Источник:

Материалы предоставлены University of Delaware.

Статья в журнале: Kamil Charubin, Shannon Modla, Jeffrey L. Caplan, Eleftherios Terry Papoutsakis. Interspecies Microbial Fusion and Large-Scale Exchange of Cytoplasmic Proteins and RNA in a Syntrophic Clostridium Coculture. mBio, 2020; 11 (5)