Personlighed og humørsvingninger hos bakterier

Bakterier kan styre, hvor de går hen, ved hjælp af et signalnetværk af proteinmolekyler. Forskere ved AMOLF har udviklet en mikroskopimetode, der giver dem mulighed for at se, hvordan individuelle bakterier bruger dette netværk til at træffe beslutninger. De opdagede, at bakterier er overraskende forskellige i personlighed og humør. Holdet offentliggjorde sine resultater i det videnskabelige tidsskrift eLife den 12. december, 2017.

Bakterie, er encellede organismer, ikke har et nervesystem, men er i stand til at kontrollere deres bevægelser ved hjælp af et netværk af proteinmolekyler, der interagerer på en særlig måde, meget ligesom nervecellekredsløbene i vores hjerne. "For eksempel E.coli, en harmløs bakterie, der lever i vores tarm, 'ved' hvordan man afbryder dens ellers lige svømmebevægelse ved lejlighedsvise tumblinger, der sætter den i gang i en ny, tilfældig retning, " siger Tom Shimizu, gruppeleder af AMOLFs Systembiologigruppe. "E.coli bruger sensorproteiner til at opdage ting som fødevaremolekyler eller giftige kemikalier for at afgøre, om livet bliver bedre eller værre, mens det svømmer, og styrer, hvor ofte den vælter for at sikre, at den ender et godt sted."

Zoom ind på enkelte celler

I mange år, forskere har undersøgt, hvordan disse molekylære kredsløb i bakterier som E.coli reagerer på ændringer i deres omgivelser, men dette var baseret på eksperimenter, hvor signalet skulle beregnes i gennemsnit over hundreder af celler. Johannes Keegstra, en ph.d.-studerende i gruppen af ​​Shimizu, ledet bestræbelserne på at udvikle en mikroskopimetode, der gør det muligt for forskere at se, hvordan proteinnetværket i hver enkelt bakterie reagerer på ændringer i miljøet, for eksempel, overfloden af ​​mad.

Personlighed

Bakterierne, der blev brugt i forsøgene, havde nøjagtig den samme DNA-sekvens (som enæggede tvillinger) og blev også dyrket under identiske forhold. Alligevel, forskerne opdagede, at proteinnetværket i hver af dem opfører sig forskelligt i det samme kemiske miljø. "Hver bakterie ser ud til at have sin egen personlighed, " siger Keegstra. "F.eks. vi fandt ud af, at den kemiske koncentration, som bakterier reagerer på, varierer betydeligt mellem bakterier."

Humør

Bortset fra de klare forskelle i reaktioner mellem bakterier (personlighed), Shimizu og Keegstra så også, at inden for hver bakterie, den molekylære aktivitet kan ændre sig betydeligt over tid. De var vidne til, at den måde, hvorpå proteinmolekyler i bakterier interagerer for at kontrollere bevægelser, ikke er stabil, men varierer konstant i tid, selv i 'stille' miljøer uden ændringer i mængden af ​​mad eller toksiner. Denne 'humørighed' af celler betyder, at den mekanisme, hvormed de 'beslutter' at tumle eller svømme direkte videre, modtager ikke et konstant input, men i stedet et input, der varierer tilfældigt.

Forskerne mener, at disse varierende molekylære beskeder skal være forårsaget af tilfældige begivenheder i cellen. "Vi tror, ​​at den bakterielle individualitet, vi fandt, ikke skyldes hverken naturen (DNA-sekvenser) eller næring (træk ved miljøet), men snarere til tilfældige begivenheder som molekylære kollisioner inde i bakteriens enkeltcelle, et klassisk eksempel på, hvad fysikere kalder 'støj', " siger Shimizu. "Vigtigt, bakterierne producerede ikke nye proteiner under forsøget. Dette betyder, at mens forskelle i personlighed kan være forårsaget af forskelle i proteinniveauer mellem bakterier, humørsvingningerne måtte være resultatet af støj i, hvordan disse proteiner interagerer i hver bakterie."

Tilfældig søgning efter mad

"Vi var virkelig overraskede over, hvor drastiske deres humørsvingninger er, " Keegstra tilføjer. "Og fordi vi ved, at bakterierne kan forhindre disse messenger-molekyler i at interagere så tilfældigt, vi tror, ​​at de sandsynligvis gør dette med et formål. "

Den ustabile bevægelseskontrol kan være fordelagtig, når der er mangel på mad. I så fald handler spillet mindre om at reagere på sensoriske signaler (som lugte) og mere om effektivt at udforske det tomme rum for at lokalisere sjældne ressourcer. Temperamentsfulde bakterier ville være bedre til at udforske store områder uden karakter, fordi deres humør er med til at undgå at vende tilbage til det samme sted.

Keegstra:"Den betydelige variation i, hvor humørfyldte bakterierne er, kan betyde, at nogle bakterier fungerer som spejdere, der udforsker fjerntliggende territorier for lejlighedsvis, men store gevinster, mens andre forbliver i nærheden og effektivt udnytter lokale ressourcer. En sådan arbejdsdeling kunne være nyttig for befolkningen som helhed."

Den nye indsigt i støj i biokemiske netværk skaber bioteknologiske muligheder, hjælpe ingeniører med at bygge systemer (som bakterier, der producerer insulin, for eksempel), der enten er mere robuste over for støj eller udnytter det optimalt. Fundene om mere stabile forskelle (personlighed) i bakteriel adfærd kan også påvirke medicinske strategier til at målrette mod patogene bakterier uden at skade gode bakterier.

Undersøgelsen på AMOLF blev co-publiceret i eLife med et andet papir, 'Flere kilder til langsomme aktivitetsudsving i et bakterielt kemosensorisk netværk', af R. Colin og V. Sourjik fra Max-Planck Institute of Terresterial Microbiology.