Бактерии-метеорологи: как крошечные клетки предсказывают погоду
Одними из моих самых любимых бактерий являются цианобактерии. Создания эти универсальные: они питаются светом, могут забирать в своë пользование инертный азот из воздуха, а также отравлять бедное млекопитающее во время цветения. Их можно встретить во всех мыслимых местах обитания на Земле, даже во льду в Арктике.
Цианобактерии живут поодиночке или объединяются в цепочки-колонии. Они богаты разнообразными веществами, у которых есть потенциальное применение в быту:
— они могут производить противобактериальные, противогрибковые, противовирусные и противоплазмодийные вещества;
— некоторые цианобактерии внутриклеточно умеют накапливать полигидроксиалканоаты, которые по своим свойствам сравнимы с полиэтиленом и полипропиленом;
— цианобактерии предполагают использовать в производстве продуктов питания, топлива, удобрений, красителей и различных вторичных метаболитов, включая токсины, витамины, ферменты и фармацевтические препараты.
Учитывая разнообразные возможности использования цианобактерий, их потенциал огромен.
Кроме того, они производят огромное количество кислорода, а их предки когда-то участвовали в создании первых фотосинтезирующих ядерных организмов – предков водорослей и растений. Даже сейчас отголоски этого эволюционного события видны в ДНК растений в хлоропластах. Хлоропласты, произошедшие от цианобактерий, сохранили ген 16S рРНК в своем собственном кольцевом геноме, такой же ген можно найти во всех бактериях и археях.
Прямое доказательство эволюции! Они также быстро размножаются, их количество удваивается за 5-6 часов. Как ни крути, цианобактерии — самые крутые!
На днях учёные открыли еще одно обстоятельство жизни этих микробов. Оказывается, они могут предугадывать погоду и время года точнее, чем тарологи предсказывают судьбу. Учёным давно известны подобные способности у более развитых существ — ядерных организмов. Они могут предвидеть смену времен года и заранее изменить свое поведение и физиологию. Например, начать производить половые клетки, начать цветение и впасть в спячку. Измеряют они время с помощью внутренних суточных часов. Однако, ученые считали, что у доядерных организмов — бактерий — почти нет подобных часов. Но, как оказалось, у цианобактерий такие часы есть!
Цианобактерии стали модельными организмами для изучения суточных ритмов.
У них имеется три белка: KaiA, KaiB и KaiC. Kai по-японски означает «цикл». Вот даже у японцев есть свое слово, а у нас нет. Работая вместе, они контролируют суточные часы цианобактерий. Так бактерии знают, когда фотосинтезировать. Белок KaiA помогает запустить часы, стимулируя активность KaiC. KaiA активирует самофосфорилирование KaiC, то есть белок KaiC начинает сам добавлять к себе фосфатную группу. Группа отбирается у молекулы АТФ. Добавление фосфатных групп заставляет KaiC изменить свое 3D строение. После фосфорилирования с белком KaiC связывается белок KaiB. Он отталкивает белок KaiA от KaiC, и KaiA не может больше стимулировать добавление фосфатных групп. Это заставляет KaiC отщипывать от себя фосфатные группы. То есть KaiB действует как тормоз, замедляя действие KaiA, когда это необходимо.
Это постоянное прикрепление и открепление фосфатной группы управляет суточным ритмом цианобактерий. Он позволяет клетке поддерживать суточный ритм продолжительностью около 24 часов, даже если очевидных изменений освещённости не происходит.
Учёные сымитировали короткие зимние световые дни и стали смотреть, как бактерии будут себя вести.
Бактерии стали готовиться к зиме и «готовить сани»! Они развили повышенную устойчивость к холоду. Они изменили строение своих жиров в клеточной мембране, а именно превратили насыщенные жиры в ненасыщенные. Эти изменения влияют на текучесть и гибкость мембраны. Они изменили воспроизведение своих генов, например, изменили пути стрессовых реакций. То есть стали готовиться к зиме, «натягивая шапочки и шарфики».
Эти бактерии лучше пережили зиму в лаборатории, чем те цианобактерии, которые подвергались летним световым дням. Учёные не ожидали, что существа с таким коротким временем жизни (мы помним, они делятся за максимум 6 часов) могут отслеживать времена года. Теперь ученые думают, что, возможно, суточные часы были изобретены не только до появления человека, но и до появления первых многоклеточных организмов.
Источники:
Abed, Raeid MM, S. Dobretsov, and K. Sudesh. «Applications of cyanobacteria in biotechnology.» Journal of applied microbiology 106.1 (2009): 1-12.
Knoll, Andrew H. «Cyanobacteria and earth history.» The cyanobacteria: molecular biology, genomics, and evolution 484 (2008).
Köbler, Christin, et al. «Two KaiABC systems control circadian oscillations in one cyanobacterium.» Nature Communications 15.1 (2024): 7674.
Jabbur, Maria Luísa, Benjamin P. Bratton, and Carl Hirschie Johnson. «Bacteria can anticipate the seasons: photoperiodism in cyanobacteria.» Science 385.6713 (2024): 1105-1111.
quantamagazineточкаorg/even-a-single-bacterial-cell-can-sense-the-seasons-changing-20241011/?mc_cid=aec528f32b&mc_eid=a36b8a6c66
Видео 3 — Колонии цианобактерий пульсируют в цикле «день-ночь», когда ген, участвующий в циркадных часах, включается и выключается. Биологи присоединили к гену часов биолюминесцентный репортерный ген, чтобы увидеть ритм суточных часов клеток. Более яркий цвет указывает на более высокую работу гена и выработку белка.
Фото 4 — Цианобактерии зеленого цвета Synechococcus elongatus. В лаборатории исследователи выращивают клетки на чашках Петри (внизу слева) или в колбах с жидкостью (вверху).
#Микробиология@inbioreactor
#Заметка@inbioreactor
Текст: #Дикарева@inbioreactor
Редактура: #vasiliskats@inbioreactor
#Наука #Научпоп 0:11