Ті, хто росте швидше, швидше вмирають - як швидкість росту впливає на придатність бактерій
Олена Біселлі під мікроскопом Андреас Геддерготт/ТУМ
"Придатність бактерій складніша, ніж очікувалося", - пояснює Ульріх Герланд, професор теорії складних біосистем Технічного університету Мюнхена. Фізик вже кілька років вивчає стратегії виживання бактерій кишкової палички.
Одноклітинні організми з латинською назвою Escherichia coli, які підтримують травлення в товстому кишечнику ссавців, є популярним модельним організмом. З їх допомогою можна дослідити, як живі істоти пристосовуються до мінливих умов навколишнього середовища.
Вижити в погані часи
"Раніше було відомо, що біологічна придатність залежить від двох речей: швидкості росту, коли є їжа, і здатності виживати в умовах дефіциту поживних речовин", - пояснює вчений. "Однак не було ясно, як ці два фактори пов'язані".
Разом зі своєю командою Герланд зараз вперше систематично досліджує, наскільки швидкий або повільний ріст впливає на виживаність бактерій E. coli:
«Було показано, що зміни умов вирощування мають прямий вплив на рівень смертності. Вони дотримуються простого закону: найкраще живляться та швидкозростаючі бактерії також першими гинуть, коли їх позбавляють їжі ".
Великі бактерії - погана фізична форма
Отже, їсти занадто багато шкідливо для бактеріальної форми. Але чому? Щоб знайти відповідь на це питання, дослідники ТУМ провели різні експерименти: Спочатку культури бактерій кишкової палички постачали поживними розчинами різного вмісту.
На другому етапі одноклітинні організми потрапили на нульову дієту. Протягом усього періоду вчені досліджували, чи і як швидко розмножуються клітини і як довго вони виживають.
боротися, щоб вижити
Дослідження показало, що незалежно від того, наскільки добре або погано харчуються, бактерії перестають розмножуватися, коли їх позбавляють їжі. На цій "фазі підтримання" організм бореться за голе виживання: всі доступні джерела енергії - наприклад, також клітинні залишки вже мертвих членів - використовуються для підтримки метаболізму.
У цій екстремальній ситуації багато клітин гинуть від голоду протягом декількох днів. Смертність особливо висока серед швидкозростаючих бактерій кишкової палички. «Вони налаштовані на швидке зростання і марно витрачають енергетичні ресурси. Це їхнє скасування під час фази голоду », - пояснює Герланд.
Насправді, раніше рясно харчувані бактерії також мають підвищену потребу в енергії, як доводять подальші експерименти. А ті, кому потрібно багато енергії, не можуть пережити голоду.
"Тепер ми розуміємо, чому еволюція не сприяє якнайшвидшому відтворенню", - говорить Герланд. "Біологічна придатність, яка має вирішальне значення для виживання виду, базується на балансі між ростом і виживаністю".
Антибіотикотерапія морквою і паличкою
Результати досліджень можуть бути використані в майбутньому для підвищення ефективності антибіотиків, наприклад: «Відповідно до принципу моркви і палички можна, наприклад, стимулювати кишкові бактерії до росту, споживаючи десерт. Це послабило б їх, якщо ви тоді приймете антибіотик проти кишкової інфекції », - пояснює Герланд. Але поки ще рано давати конкретні рекомендації. Тут потрібні подальші дослідження.
Дослідження фінансували Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG; SPP1617 та SFB/Transregio 174), грант на дослідження DFG від Вищої школи кількісних біологічних наук Мюнхена (QBM) та грант Європейської організації молекулярної біології (EMBO). Дослідження проводились на кафедрі фізики складних біосистем та в Науково-дослідному центрі білих біотехнологій при ТУМ.
Професор доктор Ульріх Герланд
Теорія складних біосистем
Технічний університет Мюнхена
James-Franck-Str. 1, 85748 Гархінг, Німеччина
Тел .: +49 89289 12394 - Електронна пошта: [email protected]
Олена Біселлі, Северин Йозеф Шинк, Ульріх Герланд:
Повільне зростання кишкової палички призводить до більш тривалого виживання при вуглецевому голодуванні через зменшення швидкості утримання
Біологія молекулярних систем, (2020) 16: e9478 - DOI: 10.15252/msb.20209478