Kiedy bakterie tworzą społeczności, współpracują i dzielą się składnikami odżywczymi między pokoleniami. Naukowcom z Uniwersytetu w Bazylei po raz pierwszy udało się to wykazać, stosując nowo opracowaną metodę. Ta innowacyjna technika umożliwia śledzenie ekspresji genów podczas rozwoju społeczności bakteryjnych w przestrzeni i czasie.
W naturze bakterie żyją zwykle w społecznościach. Wspólnie kolonizują nasze jelita, zwane także mikrobiomem jelitowym, lub tworzą biofilmy, takie jak płytka nazębna. Życie w społecznościach zapewnia poszczególnym mikroorganizmom wiele korzyści. Są bardziej odporni na niekorzystne warunki środowiskowe, podbijają nowe terytoria i czerpią wzajemne korzyści.
Analiza zbiorowisk drobnoustrojów w przestrzeni i czasie
Rozwój społeczności bakteryjnych to bardzo złożony proces, podczas którego bakterie tworzą skomplikowane, trójwymiarowe struktury. W swoim najnowszym badaniu opublikowanym w Nature Microbiology zespół kierowany przez profesora Knuta Dreschera z Biozentrum na Uniwersytecie w Bazylei szczegółowo zbadał rozwój społeczności rojów bakteryjnych.
Osiągnęli przełom metodologiczny, umożliwiający równoczesny pomiar ekspresji genów i obrazowanie zachowania poszczególnych komórek w zbiorowiskach drobnoustrojów w przestrzeni i czasie.
Bakterie zapewniają zasoby dla przyszłych pokoleń
„Użyliśmy Bacillus subtilis jako organizmu modelowego. Ta wszechobecna bakteria występuje również w naszej florze jelitowej. Odkryliśmy, że te bakterie, żyjąc w społecznościach, współpracują i oddziałują na siebie przez pokolenia” – wyjaśnia prof. Knut Drescher, kierownik działu badania. „Wcześniejsze pokolenia odkładają metabolity dla późniejszych pokoleń”.
Zidentyfikowali także różne subpopulacje w obrębie roju bakterii, które wytwarzają i zużywają różne metabolity. Niektóre metabolity wydzielane przez jedną subpopulację stają się pożywieniem dla innych subpopulacji, które pojawiają się później podczas rozwoju roju.
Podział zadań wewnątrz społeczności
Naukowcy połączyli najnowocześniejszą mikroskopię adaptacyjną, analizy ekspresji genów, analizy metabolitów i pobieranie próbek za pomocą robota. Dzięki temu innowacyjnemu podejściu badacze byli w stanie jednocześnie zbadać ekspresję genów i zachowanie bakterii w precyzyjnie określonych miejscach i czasie, a także zidentyfikować metabolity wydzielane przez bakterie. W ten sposób rój bakterii można podzielić na trzy główne regiony: przód roju, region pośredni i centrum roju. Jednakże w tych trzech regionach zachodzą stopniowe przejścia.
„W zależności od regionu bakterie różnią się wyglądem, charakterystyką i zachowaniem. Chociaż bakterie są przeważnie ruchliwe na krawędziach, bakterie w środku tworzą długie, nieruchliwe nici, w wyniku czego powstaje biofilm 3D. Jednym z powodów jest różna dostępność przestrzeń i zasoby” – wyjaśnia pierwsza autorka Hannah Jeckel. „Rozmieszczenie przestrzenne bakterii o odmiennym zachowaniu umożliwia społeczności rozwój, ale także ukrywanie się w ochronnym biofilmie”. Proces ten wydaje się być powszechną strategią w społecznościach bakterii i ma kluczowe znaczenie dla ich przetrwania.
Złożona dynamika w społecznościach bakteryjnych
Badanie to ilustruje złożoność i dynamikę społeczności bakteryjnych oraz ujawnia interakcje oparte na współpracy pomiędzy poszczególnymi bakteriami – na korzyść społeczności. Skutki przestrzenne i czasowe odgrywają zatem kluczową rolę w rozwoju i ustanawianiu społeczności drobnoustrojów. Kamieniem milowym tych prac jest opracowanie pionierskiej techniki, która umożliwiła naukowcom uzyskanie kompleksowych danych czasoprzestrzennych dotyczących procesu wielokomórkowego z rozdzielczością nieosiągalną wcześniej w żadnym innym systemie biologicznym.