Созданы бактерии с полосатыми колониями

Рис. 1. Рост колонии генетически модифицированных бактерий E. coli. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Генетики из Китая, США и Германии вывели бактерий, колонии которых в процессе роста формируют правильно чередующиеся полоски. Число полос можно регулировать, меняя активность одного-единственного гена, влияющего на подвижность бактерий. Исследование наглядно продемонстрировало, как упорядоченность на макроуровне может возникать на основе простых правил поведения, действующих на уровне отдельных клеток. Полученный результат может оказаться важным для понимания онтогенеза многоклеточных.

Процессы самоорганизации или самосборки, ведущие к самопроизвольному «рождению сложности» без всякого внешнего руководства — только за счет выполнения отдельными элементами системы простых локальных правил поведения — относятся к числу наиболее контринтуитивных и трудных для понимания. Такие процессы — от образования снежинок из множества одинаковых молекул воды до формирования сложного многоклеточного организма из комочка одинаковых эмбриональных клеток (бластомеров) — обычно производят впечатление чего-то чудесного и загадочного. Конечно, это исключительно проблема нашей психики. В природе такие процессы довольно обычны, а причины их вполне материальны и часто даже не слишком сложны (см.: Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.?). Однако контринтуитивность процессов самоорганизации породила немало недоразумений в науке, включая целый ряд «альтернативных» эволюционных теорий, вводящих разнообразные лишние сущности (особые организующие и направляющие силы). Поэтому исследования, помогающие нам лучше представить себе «механику» самоорагнизации, имеют важное мировоззренческое значение.

В последнем выпуске журнала Science большая международная группа генетиков сообщила о создании генетически модифицированных бактерий E. coli, подвижность которых находится в обратной зависимости от плотности популяции. В геном бактерий добавили несколько генов, составляющих два функциональных «модуля»: модуль определения плотности и модуль контроля подвижности. В роли первого выступает система «чувства кворума», заимствованная у светящейся бактерии Vibrio fischeri. Принцип работы этой системы описан в заметке «Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире («Элементы», 02.04.2009). Бактерии выделяют сигнальное вещество AHL (ацил-гомосерин-лактон). Когда концентрация этого вещества в окружающей среде достигает некого порогового значения (это происходит при высокой плотности популяции), в бактериальных клетках активируется регуляторный белок LuxR.

Модуль контроля подвижности сделали на основе имеющегося у E. coli гена cheZ, необходимого для нормального движения клеток. Бактерии без этого гена кувыркаются на одном месте и не могут передвигаться направленно. У генно-модифицированных бактерий белок LuxR, активированный веществом AHL, подавляет работу гена CheZ, и в результате бактерия оказывается фактически обездвиженной.

Для начала авторы убедились, что модифицированные бактерии ведут себя в соответствии с ожиданиями. Эксперименты показали, что как экспрессия гена CheZ, так и подвижность клеток резко сходят на нет по достижении плотности популяции около 400 млн клеток на миллилитр. Это значит, что оба встроенных модуля работают правильно.

Рис. 2. Полосатая колония, образованная бактериями, посеянными вдоль прямого отрезка (отмечен стрелочкой). Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Когда модифицированных микробов посеяли на агаре, они стали образовывать колонии в виде правильных концентрических кругов (рис. 1). Светлые полосы соответствуют областям с высокой плотностью микробов. Полосы образуются последовательно, с постоянной скоростью, примерно по одной паре полос (светлая + темная) каждые четыре часа. Раз сформировавшись, полоса остается на своем месте до конца эксперимента (до полного высыхания питательной среды). Обычные бактерии E. coli, как и контрольные микробы со встроенным модулем определения плотности, но с неизмененной системой регуляции CheZ, образуют равномерные круглые колонии без видимой структуры.

Модифицированные бактерии образовали полосатые колонии и в прямоугольных емкостях, где их посеяли вдоль прямой линии (рис. 2).

Чтобы понять, почему модифицированные бактерии образуют полоски, авторам пришлось поставить ряд дополнительных экспериментов, а также разработать математическую модель наблюдаемого явления. Механизм формирования полос показан на рис. 3.

На первом этапе роста колонии плотность клеток низкая, и поэтому концентрация AHL не достигает порогового уровня, при котором клетки становятся неподвижными. Примерно через 300 минут после начала роста в центре колонии достигается пороговая концентрация AHL, и бактерии в этой зоне теряют подвижность. Теперь они не могут покинуть эту область. В «зоне неподвижности» рост плотности клеток ускоряется. На рисунке это обозначено буквами B (bud, почка) и M (mound, возвышенность). На границе этой зоны — там, где концентрация AHL по-прежнему ниже пороговой, — образуется область пониженной плотности бактерий (C, cleft, расселина). Дело в том, что бактерии, находящиеся возле границы «возвышенности», еще не потеряли подвижность, поэтому они свободно мигрируют во все стороны, в том числе и к центру колонии. В норме эта миграция полностью компенсировалась бы обратной миграцией из соседних областей. Но клетки, попавшие в «зону неподвижности», сами становятся неподвижными и вернуться уже не могут. Это и приводит к формированию «расселины».

Рис. 3. Механизм образования полос в процессе роста колонии модифицированных бактерий. По горизонтальной оси — расстояние от точки, из которое начинается рост колонии. Синие линии — плотность популяции, красные — концентрация AHL. Горизонтальная пунктирная линия соответствует пороговой концентрации AHL, при которой клетки теряют способность двигаться. Зеленым цветом показана концентрация питательных веществ в среде. Остальные пояснения см. в тексте. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Тем временем бактерии на «переднем фронте» растущей колонии (F) продолжают спокойно размножаться и заселять новые территории. То, что происходит в центре колонии, не влияет на них, потому что концентрация AHL вокруг них пока остается низкой. Но через некоторое время снаружи от расселины (на строго определенном расстоянии от нее) возникает вторая зона с концентрацией AHL выше пороговой, и весь процесс повторяется: формируется новая «возвышенность» (соответствующая светлой полосе) и новая «расселина» (темная полоса).

При помощи математического моделирования авторы определили, что на частоту полос должны влиять такие факторы, как скорость распространения (диффузии) AHL в среде и максимальная подвижность бактерий. Полос будет меньше или они вообще не образуются, если AHL начнет распространяться в среде слишком свободно или если бактерии будут двигаться слишком вяло. Второе предсказание удалось проверить экспериментально. Для этого бактерий модифицировали еще раз, добавив в их геном дополнительный регулятор активности гена CheZ. Теперь активность этого гена зависела не только от плотности популяции бактерий, но и от концентрации ангидротетрациклина — вещества, которое экспериментаторы могли произвольно добавлять в среду. Модельное предсказание подтвердилось. Снижение максимальной подвижности бактерий (то есть подвижности при концентрации AHL ниже пороговой) привело сначала к тому, что бактерии вместо бесконечного числа полос стали образовывать только 3–4 полосы, а затем росли равномерно. Дальнейшее уменьшение подвижности привело к полному исчезновению полос: теперь модифицированные бактерии росли как обычные E. coli.

Рис. 4. Изысканные узоры, которые можно «нарисовать» модифицированными бактериями, если поселить их в двух, четырех или шести точках на питательной среде. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Рис. 5. Сомиты (Primitive segments) на спинной стороне человеческого эмбриона в фазе нейруляции (примерно на 28-й день развития). Нервная трубка уже закрылась посередине, но еще остается открытой на концах. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Данное исследование может заинтересовать не только художников-авангардистов, которым пора задуматься о создании «саморисующихся» картин из ГМ-бактерий. Результат может оказаться важным для понимания механизмов онтогенеза. В ходе развития многоклеточных различные повторяющиеся структуры формируются сплошь и рядом. В частности, авторы упоминают формирование сомитов — мышечных сегментов у эмбрионов позвоночных (рис. 5). Алгоритм формирования подобных структур, продемонстрированный авторами, может быть реализован не только на основе размножающихся клеток с подвижностью, зависящей от плотности. Этот механизм будет работать и в том случае, если вместо плотности клеток подставить в формулы концентрацию какого-нибудь регуляторного вещества (морфогена, см. Morphogen), стимулирующего свой собственный синтез, а подвижность клеток заменить способностью этого морфогена передаваться от клетки к клетке (транспортироваться через клеточные мембраны). Из этого следует, что алгоритмы формирования повторяющихся морфологических структур в онтогенезе могут оказаться более простыми, чем сейчас предполагается.

Источник: Chenli Liu, Xiongfei Fu, Lizhong Liu, Xiaojing Ren, Carlos K. L. Chau, Sihong Li, Lu Xiang, Hualing Zeng, Guanhua Chen, Lei-Han Tang, Peter Lenz, Xiaodong Cui, Wei Huang, Terence Hwa, Jian-Dong Huang. Sequential Establishment of Stripe Patterns in an Expanding Cell Population // Science. 2011. V. 334. P. 238–241.

См. также:
1) Процессы самоорганизации в онтогенезе многоклеточных: опыт имитационного моделирования.
2) Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? И из какого центра им подаются команды? (из ответов на «детские вопросы» на «Элементах»).
3) «Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире, «Элементы», 02.04.2009.

Александр Марков