Исследователи из Университета Райса в Техасе (Rice University) обнаружили, как система из двух культур бактерий, взаимодействующих с помощью выделяемых ими веществ, может распространять информацию. Они разработали технологию, позволяющую микробам формировать сеть, по которой коллективные действия их колонии могут распространяться на значительные по клеточным меркам расстояния.
Синтетические «консорциумы» микробов, или «ко-культуры» (Synthetic microbial consortia) — это системы из нескольких существующих вместе популяций микробов. Сравнительно недавно их начали применять в синтетической биологии. С помощью её методов можно спроектировать клетки, колонии которых будут обладать чертами коллективного поведения на уровне популяции.
Как свидетельствуют примеры из биологии и экологии, консорциумы, или симбиозы живых существ, часто являются более стабильными, чем монокультуры, и способны на более сложные паттерны поведения, включая элементы самоорганизации. Это относится не только к бактериям, но и к живым системам любого уровня. Например, самоорганизующееся поведение системы всего из двух видов часто иллюстрируют на примере предельного цикла системы «хищник-жертва» — регулярных периодических изменений численности популяции зайцев в лесу и охотящихся за ними лис. Известны демонстрационные примеры самоорганизации в виде автоколебаний в реакторе, содержащем различные колонии бактерий. Симбиозы двух или нескольких видов бактерий уже успешно используют для получения биотоплива, очистки промышленных и бытовых стоков и в подобных задачах.
Передача информации в популяции микроорганизмов чаще всего подразумевает хорошую циркуляцию, то есть перемешивание управляющих веществ (выделяемых самими микробами) в микробной среде. Качество отклика системы на управляющее воздействие определяется только тем, достигает ли вещество всех клеток в культуре.
Биологам была интересна задача создания пространственно-распределённых систем с коллективным поведением, в частности, способных самоорганизовываться и образовывать периодические структуры наподобие морских волн или песчаных дюн. Такие системы называют автоколебательными. Это прикладная задача не только молекулярной биологии: в эпоху расцвета синергетики в середине 1990-х годов подобные системы искали всюду — в химических реакциях, океанических и воздушных течениях, ядерном реакторе, не говоря уже об экосистемах и моделях распространения вирусных заболеваний. А теоретические основы описания такого поведения были заложены ещё, как минимум, за 40 лет до этого, в частности, в работах Тьюринга по реакционно-диффузионным механизмам.
Группа биологов из университета Райса под руководством Мэтью Беннетта (Matthew Bennett) в середине октября опубликовала статью в разделе Nature Chemical Biology журнала Nature, посвящённую исследованию цепочек с «дальним взаимодействием» в колонии-консорциуме двух бактериальных культур, разновидностей кишечной палочки (Escherichia coli) — весьма распространённого исследовательского объекта и модельного организма в современной микробиологии и генной инженерии. Эта работа продолжает предыдущую статью 2015 года в журнале Science — о построении и экспериментальном исследовании такой бактериальной колонии. Этот вид (E. coli) интересен тем, что принадлежащие к нему бактерии способны чувствовать присутствие других бактерий в колонии и координировать своё поведение в зависимости от количества соседей, выделяя особые «сигнальные молекулы». Система построена из двух видов клеток — «активатора» и «репрессора», использующих два вида систем дистанционного взаимодействия микробов. Каждый из штаммов вырабатывает «межклеточные сигнальные молекулы». В данном случае речь идёт о двух разновидностях молекул гомосеринлактонов (АГЛ), имеющих стандартные полные обозначения C4HSL и 3-OHC14-HSL. Молекулы АГЛ при наступлении неких условий, например, пороговой концентрации популяции, взаимодействуют с рецепторными белками в клетке, в результате чего происходит активация или подавление экспрессии определённых наборов генов у бактерий. Первый вид АГЛ (C3HSL) действует как активатор: его присутствие стимулирует размножение в колонии, а второй, наоборот, подавляет размножение в излишне плотной популяции. Для различения двух видов организмов использовалось цветовое кодирование — стандартные в молекулярной биологии светящиеся метки из зелёного и жёлтого флуоресцентного белка, благодаря которым штаммы можно визуально различать.
В этом симбиозе взаимодействие компонент можно грубо представить как вышеупомянутую экосистему из зайцев и лисиц с возникновением устойчивого состояния в виде периодических колебаний популяций (автоколебаний). Такие циклы самоподдерживаются без необходимости их «раскачки» извне. Так, увеличение количества зайцев стимулирует увеличение через некоторого времени количества съедающих их лисиц; но увеличение популяции лисиц на следующем витке приводит к уменьшению количества зайцев, соответственно, регулирует и численность хищников. Для бактериальной колонии в роли «зайцев» выступают клетки-активаторы, стимулирующие рост обеих популяций, а «лисицы» — соответственно — репрессоры, чьё избыточное размножение подавляет как тех, так и других. В общем случае такие системы не стоят на месте и демонстрируют устойчивые колебания численности популяции вокруг некоторых равновесных значений. На языке синергетики и теории хаоса такое простейшее, но нетривиальное состояние системы называют предельным циклом.
В статье в Nature от 2019 года исследователи сделали дальнейший шаг по сравнению с результатами 2015 года. Вместо хорошо перемешанной колонии в бактериальном реакторе они рассмотрели пространственно-распределённую систему со значительными по сравнению с величиной клетки размерами. Главный результат работы в том, что они обнаружили пространственную самоорганизацию системы из двух штаммов: самопроизвольное образование «волн» с чередованием «зелёных» и «жёлтых» клеток (как на рисунке). Такая структура устанавливается очень быстро: за это время сигнальное вещество заведомо не успевает распространиться по всему биологическому реактору путём диффузии. Таким образом, авторам удалось экспериментально исследовать когерентную динамику микробиологических систем на уровне популяции.
Создание пространственно-распределённых и устойчивых структур на макроскопических расстояниях с использованием в качестве материала колонии бактерий — важный шаг в биоинженерии и проектировании логических элементов и устройств для биоэлектроники. Кроме того, это поможет в понимании молекулярной и клеточной природы циркадных ритмов, определяющих, в том числе и нашу жизнедеятельность.