Даже одна бактериальная клетка может чувствовать смену времен года

Фото из открытых источников
Хотя они живут всего несколько часов до деления, бактерии могут предвидеть приближение холодной погоды и готовиться к ней. Открытие предполагает, что сезонное отслеживание имеет основополагающее значение для жизни.

Каждый год в широтах достаточно далеких к северу или к югу, огромное количество жизни на Земле чувствует приближение зимы. Листья опадают с деревьев, воробьи летят в тропики, еноты отращивают толстые зимние шубки, а мы распаковываем наши свитера из хранилища. Теперь ученые показали, что эта способность предвидеть более короткие дни и более низкие температуры имеет более фундаментальное значение для жизни, чем кто-либо думал: даже короткоживущие одноклеточные организмы могут чувствовать продолжительность дня и готовиться к зиме.

Лабораторные эксперименты, недавно опубликованные в журнале Science , показывают, что цианобактерии — тип бактерий, которые вырабатывают энергию из солнечного света посредством фотосинтеза — предвидят изменения, сворачиваясь в клубок по-своему. Они включают набор сезонных генов, включая те, которые регулируют молекулярный состав их клеточных мембран, чтобы повысить свои шансы на выживание.

Авторы исследования были поражены, обнаружив эту способность чувствовать сезон у организма, который живет в лаборатории всего около пяти часов, прежде чем делиться. «Казалось совершенно бессмысленной идеей думать, что бактерии будут беспокоиться о чем-то, что происходит в масштабах, намного превышающих их продолжительность жизни», — сказала Луиза Джаббур, микробиолог-хронобиолог из Центра Джона Иннеса в Норвиче, Англия, и ведущий автор новой статьи.

Но у цианобактерий есть эволюционный стимул передавать соответствующую информацию своему потомству: каждая клетка делится на два идентичных клона, и каждый из них делает то же самое, и так до бесконечности. Карл Джонсон, старший автор статьи в Университете Вандербильта, сравнил это с тем, как бабочки-монархи мигрируют на юг на зиму, но никогда не возвращаются на север — так поступают их потомки. «Когда вы начинаете больше думать о родословной, или как о колонии или популяции, — сказал он, — тогда такие вещи обретают смысл».

Открытие связывает цианобактерии с множеством гораздо более сложных организмов с сезонными ритмами и указывает на то, что предвосхищение сезонов могло возникнуть на ранних этапах эволюции жизни. Возможно, оно даже предшествовало внутренним часам, которые дают организму ощущение дня и ночи. «Эта проблема взаимодействия с сезонностью может быть очень фундаментальной для того, почему [биологические] часы существуют в первую очередь», — сказал клеточный биолог Майк Раст, который изучает внутренние ритмы цианобактерий в Чикагском университете и не принимал участия в новом исследовании. Синхронизация с сезонами может быть более древней и более элементарной для жизни, чем кто-либо подозревал.

Когда Джонсон поступил в аспирантуру в 1970-х годах, ученые знали, что циркадные часы — внутренние хронометры организмов для цикла день-ночь — повсеместно распространены в многоклеточных растениях и животных. Эти молекулярные устройства организуют тонкие танцы, например, когда растения разворачивают свои листья утром и закрывают их ночью. (Они также являются причиной того, почему у людей есть определенные часы сна и бодрствования, а также разрозненные ощущения при путешествии между часовыми поясами или бессонной ночи.)

Но идея о том, что простые организмы, такие как бактерии, также могут иметь суточные часы, считалась спорной. Джонсон изучал эту возможность в аспирантуре, но безуспешно. Затем, в 1986 году, появились доказательства того, что цианобактерии действительно имеют суточные ритмы. Когда южноафриканский физиолог растений Натанаэль Гроббелар подверг цианобактерии воздействию светлых и темных периодов, он заметил, что клетки перерабатывали азот, ключевое питательное вещество, только во время имитированной ночи. Это была первая запись внутреннего ритма смены дня и ночи в каком-либо одноклеточном организме.

Это открытие дало Джонсону идею: если у цианобактерий есть суточные ритмы, возможно, он сможет идентифицировать молекулы, которые, подобно шестеренкам в часах, заставляют работать циркадные часы организмов. В работах, опубликованных в 1993 году и 1998, с сотрудниками в Японии и Техасе, он идентифицировал три гена и соответствующие им белки — KaiA, KaiB и KaiC ( kai по-японски означает «цикл») — вовлеченные в циркадные часы цианобактерий. Взаимодействия между KaiA и KaiB создают реакцию, в которой KaiC приобретает дополнительную фосфатную группу, а затем ритмично ее отбрасывает, синхронно со сменой дня и ночи. Удивительно, но ученые также обнаружили, что весь цикл может происходить вне клетки, среди свободных молекул в пробирке.

С тех пор исследователи узнали много нового о клеточной биологии, лежащей в основе этих ритмов. Но потребовалась бы еще четверть века, чтобы связать эти гены со способностью, простирающейся на более длительный временной промежуток, который больше относится к календарю, чем к часам.

Однажды в 2018 году, когда Джаббур просматривала литературу о циркадных часах цианобактерий, она поняла, что чего-то не хватает. Она не смогла найти никаких исследований взаимосвязи между циркадными часами, которые следуют за осевым вращением Земли день-ночь, и сезонным ритмом, связанным с наклоном земной оси, когда лето происходит в полушарии, наклоненном к солнцу.

«Это было немного шокирующе», — вспоминает Джаббур, поскольку циркадные часы цианобактерий изучены лучше всего среди всех организмов. Она задалась вопросом, могут ли те же самые белки приводить к тому, что известно как фотопериодическая реакция — способности реагировать на продолжительность дня и «использовать информацию для изменения своей физиологии, метаболизма или поведения в ожидании предстоящих сезонов», — сказала она.

Она поделилась этой идеей с Джонсоном, своим научным руководителем. Сначала он посмеялся над ней. Цианобактерии производят пищу из света, поэтому казалось очевидным, что клетки будут процветать в течение более длинных дней и страдать, когда периоды света становятся короче. Но он сказал Джаббуру все равно попробовать эксперимент, потому что, как гласит записка на двери его кабинета, «прогресс достигается молодыми учеными, которые проводят эксперименты, которые, по словам старых ученых, не сработают».

Она почти сразу же доказала, что ее наставник ошибался, а записка была верной. Через неделю она появилась в офисе Джонсона с двумя бактериальными пластинами. Обе были погружены в ледяную воду, чтобы имитировать начало зимы. Но в одной из них было больше заметно зеленых цианобактерий, чем в другой. Бактерии, которые процветали, были подвергнуты воздействию более длительных темных периодов заранее — у них была возможность предвидеть, что произойдет.

В расширенном экспериментальном протоколе, представленном в новой научной статье, Джаббур подвергала три группы цианобактерий воздействию различных периодов света и темноты в течение восьми дней, что представляло зиму (восемь часов света и 16 часов темноты), равноденствие (12 часов света и 12 часов темноты) или лето (16 часов света и восемь часов темноты). Затем она окунула их в ледяную воду, взяла образцы бактерий из каждой охлажденной пробирки и наблюдала, как из живых клеток вырастают колонии.

Несмотря на рост при теплых температурах, клетки, которые испытали короткие, похожие на зимние периоды света, по-видимому, знали, что наступает холод, и смогли к нему подготовиться. Они выживали в три раза лучше после холодной ванны, чем летние или равноденственные клетки. Но как?

Джаббур сравнила гены, активированные в разных группах клеток. Клетки зимних условий экспрессировали больше генов, связанных с метаболизмом, тогда как клетки летних условий экспрессировали гены, связанные с теплом и ультрафиолетовым светом, что предполагает, что они адаптировались к другому сезону. Она более подробно рассмотрела одно изменение: молекулярный состав их клеточных мембран.

Хорошо известно, что клеточные мембраны, включая те, что окружают цианобактерии, чувствительны к температуре. Подобно маслу, липиды, из которых состоят мембраны, становятся более жесткими в холодных условиях и более жидкими в теплых. Многие организмы могут регулировать свои мембраны — этот процесс называется десатурацией — чтобы молекулы могли свободно перемещаться через мембрану в диапазоне температур. Джаббур задавалась вопросом, делают ли ее цианобактерии то же самое. Действительно, дальнейшие эксперименты показали, что ее подготовленные к зиме цианобактерии имели больше десатурированных липидов, которые не позволяли их клеточным мембранам застывать при понижении температуры.

Наконец, она хотела узнать, связаны ли эти фотопериодические адаптации с циркадными часами или управляются отдельным механизмом. Когда исследователи удалили гены, кодирующие белки KaiA, KaiB и KaiC, клетки зимнего состояния выживали не лучше, чем клетки летнего состояния. Они не смогли отрегулировать свои липиды. Ежедневные молекулярные часы также могут управлять сезонным календарем.


«Мы до сих пор не знаем, являются ли часы тем, что на самом деле кодирует продолжительность дня», — сказал Джаббур. «Но, похоже, это необходимо для ответа».

Цианобактерии — самая древняя известная форма жизни, которая все еще живет на Земле, охватывающая миллиарды лет истории. Около 2,4 миллиарда лет назад они преобразовали химию нашей атмосферы в богатую кислородом смесь, которой мы наслаждаемся сегодня. Унизительно думать, что что-то столь древнее и маленькое может содержать семена сложного сезонного предвкушения, которое мы наблюдаем сегодня, от миграции куликов и певчих птиц до спячки медведей гризли и человеческой тяги к тыквенному латте со специями.

«По-настоящему впечатляет, что такие древние организмы, как цианобактерии, могли иметь такую реакцию», — сказал Джаббур. «Это заставляет задуматься о том, когда впервые появился фотопериодизм и как выглядела Земля в то время».

Поскольку организмы проходят через суточные циклы чаще, чем сезонные, ученые обычно предполагали, что циркадные часы развились до фотопериодизма. Но новое исследование предполагает другую возможность. «Фотопериодическое измерение могло быть первым, что развилось», — сказал Джонсон. Возможно, нашим древнейшим предкам нужно было изобрести внутренние часы, чтобы выживать в стрессах сезонной погоды — а затем поверх этого были построены суточные циклы.

Однако остается загадкой, как такой недолговечный организм мог развить механизм отслеживания времени на протяжении целых сезонов, которые длятся в сотни раз дольше, чем его собственная жизнь. «Один из интригующих вопросов заключается в том, передаются ли эти сигналы через поколения клеток, и каким образом, поскольку сезонные изменения происходят гораздо медленнее по сравнению со временем генерации этих клеток», — сказал Деваки Бхайя, старший научный сотрудник Carnegie Science, который не принимал участия в исследовании. Независимо от того, как это происходит, механизмы были отобраны не для индивидуального выживания, а для благополучия всей генетической линии, охватывающей многие поколения цианобактерий.

Тем не менее, эти идеи остаются спекулятивными, пока фотопериодизм идентифицирован только у одного вида цианобактерий. В своей новой роли научного сотрудника в Центре Джона Иннеса Джаббур планирует изучить фотопериодические реакции большего количества бактерий, чтобы лучше понять, когда эта способность предвидеть времена года могла развиться. У других штаммов бактерий есть гены циркадных часов, которые управляют механизмами, заметно отличающимися от механизмов цианобактерий. Они могут раскрыть больше секретов о внутренних ритмах и сезонных адаптациях. Только время покажет.