Сталкиваясь с голоданием и стрессовыми ситуациями, некоторые бактерии впадают в состояние покоя, в котором останавливаются жизненные процессы. Погружение в глубокий сон позволяет этим клеткам, называемым спорами, выдерживать экстремальные температуры, давление и даже суровые условия открытого космоса. В конце концов, когда условия становятся благоприятными, споры, которые, возможно, бездействовали в течение многих лет, могут проснуться за считанные минуты и вернуться к жизни.
Споры просыпаются, повторно гидратируясь и перезапуская свой метаболизм и физиологию. Но до сих пор ученые не знали, могут ли споры следить за окружающей их средой «во сне», не просыпаясь. В частности, неизвестно, как споры справляются с расплывчатыми сигналами окружающей среды, не указывающими явно на благоприятные условия. Будут ли споры просто игнорировать такие смешанные условия или принимать к сведению?
Биологи Калифорнийского университета в Сан-Диего разгадали эту загадку в новом исследовании, опубликованном в журнале Science . Исследователи из Школы биологических наук обнаружили, что споры обладают необычайной способностью оценивать окружающую среду, оставаясь при этом в физиологически мертвом состоянии. Они обнаружили, что споры используют накопленную электрохимическую энергию, действуя как конденсатор, чтобы определить, подходят ли условия для возвращения к нормальной жизнедеятельности.
«Эта работа меняет наше представление о спорах, которые считались инертными объектами», — сказал Гюрол Сюэль, профессор кафедры молекулярной биологии. «Мы показываем, что клетки в глубоком спящем состоянии обладают способностью обрабатывать информацию. Мы обнаружили, что споры могут высвобождать накопленную электрохимическую потенциальную энергию для выполнения вычислений об окружающей среде без необходимости метаболической активности».
Многие виды бактерий образуют споры — частично обезвоженные клетки, окруженные эластичной защитной оболочкой — в качестве стратегии выживания, которая позволяет им оставаться в состоянии покоя в течение тысяч лет. Такая замечательная способность делает их угрозой в виде бактериальной формы сибирской язвы, а также опасностью заражения в медицине и пищевой промышленности.
Зюэль и его коллеги проверили, могут ли спящие споры Bacillus subtilis воспринимать кратковременные сигналы окружающей среды, которые не были достаточно сильными, чтобы вызвать возвращение к жизни. Они обнаружили, что споры способны подсчитывать такие небольшие входные данные, и если сумма достигает определенного порога, они решают выйти из состояния покоя и возобновить биологическую активность.
Разработав математическую модель, объясняющую этот процесс, исследователи обнаружили, что споры используют механизм, известный как «интеграция-и-воспламенение», основанный на потоках ионов калия для оценки окружающей среды. Они обнаружили, что споры реагировали даже на кратковременные благоприятные сигналы, которых было недостаточно, чтобы вызвать выход из состояния покоя. Вместо того, чтобы просыпаться, споры высвобождали часть накопленного ими калия в ответ на каждый небольшой вход, а затем суммировали последовательные благоприятные сигналы, чтобы определить, подходят ли условия для выхода. Такая кумулятивная стратегия обработки сигналов может показать, действительно ли внешние условия благоприятны, и не даст спорам «поспешить» в мир неблагоприятных условий.
«То, как споры обрабатывают информацию, похоже на то, как работают нейроны в нашем мозгу», — сказал Зюэль. «И в бактериях, и в нейронах небольшие и короткие входы со временем суммируются, чтобы определить, достигнут ли порог. При достижении порога споры инициируют свое возвращение к жизни, в то время как нейроны запускают потенциал действия для связи с другими нейронами». Интересно, что споры могут выполнять эту интеграцию сигналов, не требуя никакой метаболической энергии, в то время как нейроны являются одними из самых энергозависимых клеток в нашем организме.
Исследователи считают, что новая информация о спорах переосмысливает популярные представления о клетках в крайне спящем состоянии, которые кажутся мертвыми. Такие результаты имеют значение для оценки жизни на таких объектах, как метеоры, а также для космических миссий, ищущих доказательства жизни.
«Эта работа предлагает альтернативные способы справиться с потенциальной угрозой, исходящей от патогенных спор, и имеет значение для того, чего ожидать от внеземной жизни», — сказал Зюэль, который имеет связи с Центром системной биологии Сан-Диего, Институтом биосхем и Центром инноваций микробиома. «Если ученые найдут жизнь на Марсе или Венере, она, скорее всего, будет в спящем состоянии, и теперь мы знаем, что форма жизни, которая кажется совершенно инертной, все еще может думать о своих следующих шагах».
