К ч. 8. Память и коллективный интеллект бактерий

Теория латентного безумия и его влияния на социальные процессы.
Сопроводительные материалы к части 8 "Инфекционная теория".


Память и коллективный интеллект бактерий.

В середине 20-го века учёные обратили внимание, что бактериальные клетки проявляют тенденцию к самоорганизации, и их популяции начинают вести себя как единое целое.

В результате множества исследований, на наших глазах происходит переосмысление представления, что микробы это одноклеточные организмы, живущие сами по себе.

Бактерии часто выживают, работая вместе.

Потребовались десятилетия исследований, чтобы появилась новая научная дисциплина – социомикробиология, которая изучает коммуникационные связи между микроорганизмами.


ПОНЯТИЙНЫЙ КОНТЕКСТ

Экспрессия генов — процесс, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок.

Некоторые этапы экспрессии генов могут регулироваться, это:
- транскрипция,
- трансляция,
- сплайсинг РНК и
- стадия посттрансляционных модификаций белков.

Активация РНК — процесс активации экспрессии генов короткими двухцепочечными РНК.

Наследственная информация от гена —последовательности нуклеотидов ДНК.

Аутоиндукторы — это низкомолекулярные сигнальные молекулы, которые бактерии выделяют для координации своих действий.

Поляризация — наличие противоположных электрических зарядов по разные стороны клеточной мембраны.

Корреляция (correlatio — соотношение) — взаимное соответствие, взаимосвязь.

Гиперполяризация — изменение мембранного потенциала клетки, которое делает его более отрицательным. В бактериях изменения мембранного потенциала могут влиять на транспорт веществ, подвижность и другие процессы.

Роение бактерий — это быстрое движение, происходящее за счёт вращения жгутиков.


ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ

1994 году - американский биолог Эверетт Питер Гринберг доказал, что в основе поведения микробов лежит экспрессия генов, и оно изменяется в зависимости от числа клеток в колонии.

Гринберг ввёл в научный оборот определение "чувство кворума" - интеграционный механизм, который позволяет бактериям переключаться между двумя различными программами экспрессии генов, характерных/проявляющихся:
- первая - для низкой плотности клеток LCD (low cell density) и демонстрирует индивидуальное, асоциальное поведение,
- вторая - при высокой плотности популяции HCD (high cell density) и реализуется в коллективных, социальных моделях взаимодействия.

При определённых изменениях экосистемы бактерии выделяют специальные вещества – аутоиндукторы:
- в основном они являются олигопептидами,
- но некоторые микроорганизмы для этих целей используют гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) или бактериальные короткоцепочечные жирные кислоты.

С увеличением плотности бактерий в популяции продукция аутоиндукторов увеличивается, и при достижении пороговой концентрации начинается транскрипция определённых генов во всех клетках колонии.

Переход от индивидуального существования микроорганизмов к:
- групповой организации и
- коллективному поведению
обеспечивают:
- выброс аутоиндукторов и
- запускающийся механизм обратной связи.

Учёными были открыт феномен биоплёнок (любопытно, что это открытие было тут-же подхвачено рекламой), формирующихся в процессе конгломерации огромного числа бактериальных клеток, которые способны образовываться:
- и на неорганических поверхностях,
- и внутри живого организма – на слизистых и коже, зубах и во внутренних органах.

Параллельно с процессами химического управления наблюдается также электрическая регуляция поведения бактерий.

2023 год - исследовательская группа из Кёльнского университета обнаружила переход:
- от некоррелированной
- к коллективной
динамике внутри колоний, образованных известной патогенной бактерией гонококка (Neisseria gonorrhoeae).

В недавно образовавшихся колониях этих организмов поляризация неоднородна, и наблюдаются эпизодические случаи временной и некоррелированной:
- гиперполяризации или
- деполяризации
единичных бактериальных клеток.

Но когда колонии достигают некоего критического размера, поведение поляризации переходит в коллективную динамику:
- гиперполяризованная оболочка формируется в центре,
- движется радиально наружу и
- останавливается в нескольких микрометрах от периферии колонии.

Приводится цитата доктора Марка Хеннеса:
«В молодых колониях бактерий потенциал не коррелирует. Когда колония достигает критического размера, мы наблюдаем нечто совершенно неожиданное: все клетки в центре внезапно увеличивают свой электрический потенциал. Они гиперполяризуются».

В центре колонии:
- возникает оболочка из гиперполяризованных клеток, которая
- распространяется по всей колонии.

Исследователи интерпретировали этот феномен пространственно-временных коррелированных моделей поляризации как:
- переход к коллективному поведению,
- который говорит о формировании биоплёнок.

Удалось доказать, что бактерии:
- объединяются в сообществе биоплёнок,
- координируют своё поведение
- передают сигналы от клетки к клетке.

Ранее было неизвестно, могут ли такие сигналы влиять и на поведение удалённых бактерий, не входящих в конкретное сообщество, но группа учёных из Университета Калифорнии в Сан-Диего установила, что:
- передача электрических импульсов, опосредованная ионами калия, генерирующаяся биоплёнкой Bacillus subtilis, может привлекать также и отдалённые клетки;
- по результатам экспериментов и математического моделирования сделан вывод, что внеклеточный калий, выделяемый из биоплёнки, изменяет мембранный потенциал удалённых клеток, тем самым направляя их подвижность;
- это электрически опосредованное притяжение, по-видимому, является общим механизмом, который обеспечивает межвидовое взаимодействие, поскольку клетки синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) также откликаются на электрический сигнал, генерируемый биоплёнкой сенной палочки.

Клетки внутри сообщества биоплёнок могут:
- не только координировать своё собственное поведение,
- но и влиять на поведение различных отдалённых бактерий даже другого вида посредством передачи электрических сигналов на большие расстояния (!!!).

Роланд Матис и Мартин Аккерман из Департамента системных наук об окружающей среде Швейцарской высшей технической школы Цюриха установили, что:
- бактерии, которые предварительно подвергались воздействию умеренной концентрации соли в растворе, в последующем лучше переживали уже более высокие концентрации по сравнению с бактериями без такого опыта;
- показатели выживаемости в популяциях микроорганизмов, имевших опыт воздействия предупреждающего события, при повторной экспозиции более насыщенного солевого раствора через два часа были выше, чем в популяциях, ранее не подвергавшихся такому эксперименту.

В результате множества исследований, на наших глазах происходит переосмысление представления, что микробы это одноклеточные организмы, живущие сами по себе.

«На деле бактерии часто выживают, работая вместе. Подобно тому, как медоносные пчёлы перемещают свой улей, колонии бактерий в поисках постоянного дома часто путешествуют коллективными единицами – роями», – говорит микробиолог Дартмутского колледжа Джордж О'Тул, изучающий бактериальные биоплёнки.

Исследователи из Университета Техаса в Остине установили, что бактерии кишечной палочки используют уровни железа как способ хранения информации о различных формах поведения, которые затем могут быть активированы в ответ на определённые стимулы.

Сувик Бхаттачария изучал поведение кишечной палочки и заметил феномен «странных моделей колоний» и выделив отдельные бактерии, его группа обнаружила, что клетки ведут себя по-разному, основываясь на своём прошлом опыте (!!!).

Клетки бактерий в колониях, которые ранее роились, были более склонны к новому роению, чем те, которые этого не делали, и их потомство вело себя также в течение как минимум четырёх поколений – около двух часов.

Экспериментировав с геномом кишечной палочки (Escherichia coli), учёные обнаружили, что в основе этой способности лежат два гена, которые вместе контролируют:
- поглощение и
- регуляцию
уровня железа.

По мнению Бхаттачарья, клетки с низким уровнем этого важного для бактерий питательного вещества, предрасположены к:
- образованию мобильных роёв и
- поиску новых мест с идеальным уровнем железа.

Предыдущие исследования говорят о том, что некоторые бактерии могут:
- запоминать и
- передавать
своим потомкам детали о внешней физической среде, в частности о наличии стабильной поверхности.

Но это исследование предполагает, что бактерии также могут запоминать присутствие питательных веществ, используя эти данные для:
- определения долгосрочной пригодности места и
- начала образования биоплёнок.

Исследователи предполагают, что когда уровень железа:
- низкий, на основе воспоминаний бактерии формируют быстро движущийся мигрирующий рой в поисках железа в окружающей среде;
- высокий - воспоминания указывают на то, что данная среда является хорошим местом для образования биоплёнки.

Бактерии сложнее уничтожить, когда они образуют более крупные структуры.

Понимание механизма образования таких сообществ поможет в новых подходах в борьбе с упорно текущими инфекциями, в частности, к тем для которых действующие антибиотики теряют силу.


Перспективной сферой является вопросы понимания передачи и того могут ли бактерии управлять своим хозяином.

Рядом с коалой можно заразиться хламидиозом - коала является переносчиком хламидий, хотя сама при этом не болеет и погладив коалу или погуляв в местах их обитания, можно заразиться этой болезнью.

Грибок-паразит кордицепс проникает в организм насекомого и управляет его поведением, приказывая перенести себя на место, наиболее подходящее для размножения. Найдя такое место, грибок убивает носителя, и начинает расти.

А на смартфоне больше бактерий, чем в унитазе - исследования показали, что на телефоне болезнетворных бактерий в 5 раз больше, чем на ободке унитаза или подошве уличной обуви.