Кубанский государственный технологический университет

Рис. 1. График, показывающий способность Pseudomonas и Acinetobacter сосуществовать при разных условиях культивирования (перемешиваемая среда хемостата или биопленка на стекле) и разной концентрации исходной пищи — бензилового спирта (по оси абсцисс). Величина, отложенная по ординате, — это «относительная приспособленность» (разность удельных скоростей популяционного роста двух видов). Если она равна нулю, то соответствующая концентрация бензилового спирта — это пороговая концентрация, ниже которой Pseudomonas не может внедриться в культуру Acinetobacter. На рисунке показаны: красной линией — рост исходного штамма Pseudomonas в условиях хемостата; синей линией — рост того же штамма на стекле (биопленка); черной линией — рост новой, образовавшейся в ходе опыта, формы Pseudomonas на стекле.

Очевидно, что жизнь на поверхности (биопленка) облегчает существование комменсала, требуя меньшей концентрации исходной пищи. Новая же форма Pseudomonas, возникшая в ходе эксперимента, оказалась особо эффективной, но она может жить только как биопленка на стекле. Пунктиром показаны доверительные интервалы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Принято считать, что эволюция бактерий в общих чертах давно закончилась. Однако достигнутое уже на ранних этапах эволюции совершенство, позволяющее бактериям в дальнейшем существовать без радикальных изменений (см. об этом: В. П. Щербаков. Эволюция как сопротивление энтропии), вовсе не означает, что они не подвержены обычному («дарвиновскому») естественному отбору и что они не способны в определенных пределах быстро эволюционировать в ответ на изменения окружающей среды. А окружающая среда для бактерий — это не только совокупность определенных физико-химических условий, но и другие бактерии — как своего, так и чужих видов.

Взаимодействие разных видов бактерий в сообществе особо наглядно проявляется в так называемых «биопленках» (от англ. biofilm) — пластах клеток, соединенных вместе слизистым веществом, выделяемым самими бактериями. Такие пленки часто образуются на любых поверхностях под водой (но также в почве или, к примеру, в полости носоглотки). Когда вы моете банку, в которой долго стояла вода, то часто ощущаете руками слизь — это и есть куски биопленки. В сообществе биопленки разные бактерии нередко тесно взаимосвязаны, поскольку выполняют разные, но полезные друг для друга функции. Продукты обмена веществ (по сути, отбросы) одних бактерий могут использоваться другими в качестве основного источника пищи (субстрата), причем иногда реакция, осуществляемая первой группой организмов, может протекать только при условии изъятия из среды конечного продукта второй группой.

Каким образом совершенно разные бактерии собираются вместе и образуют сообщества, построенные по принципу взаимодополнительности (разделения функций на благо всего сообщества!), а не конкуренции (как, например, сообщество фитопланктона или деревьев в лесу)? Некоторые авторы, например Г. А. Заварзин, видят здесь вызов классическому дарвинизму (см.: Заварзин Г.А. 2003. Лекции по природоведческой микробиологии), поскольку очень трудно представить себе, как путем простой дивергенции из одного вида возникли два, живущие вместе, но осуществляющие принципиально разные реакции.

Поэтому, безусловно, большой интерес вызывает недавно опубликованная работа Зюсс Ханзен (Susse Kirkelund Hansen), молодой исследовательницы из Биоцентра Технического университета Дании, и Пола Рэйни (Paul Rainey), профессора Школы биологических наук Оклендского университета (Новая Зеландия), которые вместе с двумя коллегами их тех же учреждений изучали изменения, происходящие в сообществе, составленном в лаборатории из двух неродственных бактерий.

Участвовавшие в эксперименте бактерии — Acinetobacter sp. и Pseudomonas putida — обитают в почве и в лаборатории могут культивироваться на среде, где единственным источником углерода является бензиловый спирт. При этом Acinetobacter непосредственно использует бензиловый спирт, превращая его в ходе своего метаболизма в бензоат (соль бензойной кислоты). Частично бензоат выделяется во внешнюю среду, и именно за счет него и существует Pseudomonas. Поскольку Pseudomonas зависит от Acinetobacter, а та от нее не зависит, эти отношения можно определить как комменсализм.

Авторы обсуждаемой работы культивировали оба вида как в гомогенной перемешиваемой («неструктурированной») среде хемостата, так и в проточной «структурированной» среде, где виды образовывали биопленку на поверхности стекла. Используя разные концентрации исходной пищи (бензилового спирта), исследователи старались выяснить, какой концентрации надо достичь, чтобы один вид (Pseudomonas) мог внедриться в культуру другого (Acinetobacter). Очевидно, что произойти это может только тогда, когда Acinetobacter «наработает» достаточное количество бензоата — пищи для Pseudomonas. Выяснилось, что если опыт проводится в неструктурированной среде (в хемостате), то внедрение Pseudomonas возможно только при весьма высокой концентрации спирта — 430 микромолей (рис. 1). В условиях же структурированной среды (биопленка на стекле) Pseudomonas может сосуществовать с Acinetobacter при значительно более низкой концентрации спирта — 130 микромолей.

Рис. 2. Лазерные фотографии поверхности стекол, обросших бактериями Acinetobacter (показаны красным) и Pseudomonas (показаны зеленым) через 24 часа после начала культивирования. a — при использовании исходной формы Pseudomonas. b — при использовании новой формы Pseudomonas, спонтанно образовавшейся в ходе эксперимента. Полосы снизу и справа — разрезы через биопленку по местам, указанным стрелками. Видно, что новая форма растет быстрее и покрывает сверху сплошным слоем скопления Acinetobacter. с — исходная гладкая колония Pseudomonas. d — отличающаяся неровной поверхностью колония новой формы Pseudomonas. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Но самое интересное началось дальше. Обследование с помощью микроскопа стекол, на которых поселились бактерии обоих видов, показало, что через пять дней культивирования характер роста Pseudomonas существенным образом изменился. Если в начале опыта клетки Pseudomonas поселялись на участках, не занятых скоплениями Acinetobacter (образовывалось своего рода мозаика из двух видов. (рис. 2a), то через пять дней клетки Pseudomonas стали сплошным ковром обрастать сверху скопления Acinetobacter (рис. 2b). Когда клетки из этого «ковра» высеяли отдельно на агар-агар (среду, содержащую все вещества, необходимые для роста данных бактерий), они стали образовывать колонии с неровной поверхностью (рис. 2d), отличающиеся от колоний исходной формы Pseudomonas, имеющих гладкую поверхность (рис. 2c).

Новые особенности были наследуемы — передавались из поколение в поколение. При выращивании в структурированной среде бактерии новой формы Pseudomonas размножались очень быстро и уже через 24 часа интенсивно обрастали скопления Acinetobacter (рис. 2b). При этом им требовалась значительно меньшая концентрация бензилового спирта (всего 50 микромолей).

В серии дополнительных экспериментов с использованием разных условий культивирования удалось показать, что новая форма Pseudomonas возникает только при комбинации двух условий — наличии бактерий Acinetobacter и наличии твердой поверхности, на которой можно закрепиться. Общая продукция сообщества (то есть нарастающая за единицу времени биомасса) была существенно выше, если в сообщество входила новая форма Pseudomonas. Среди известных ранее мутаций Pseudomonas авторы нашли одну похожую, которая затрагивает синтез липополисахаридов — веществ, входящих в состав клеточных стенок и играющих важную роль в образовании пластов клеток.

Во взаимоотношениях Acinetobacter и Pseudomonas пока далеко не всё еще ясно (помимо комменсализма есть и конкуренция между двумя бактериями за кислород), однако очевидно, что отношения эти могут меняться за счет появления новых (и наследуемых!) особенностей по крайней мере у одного из видов.

Источник: Susse Kirkelund Hansen, Paul B. Rainey, Janus A. J. Haagensen, Søren Molin. Evolution of species interactions in a biofilm community // Nature. 2007. V. 445. P. 533-536.

См. также: Г. А. Заварзин. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука. 2003. 348 с. (файл djvu)

Алексей Гиляров

‹‹