Как покоящиеся споры бактерий понимают, что пора прорастать

Сталкиваясь с неблагоприятными условиями, некоторые бактерии образуют споры — останавливают все жизненные процессы и впадают в состояние покоя. Это помогает бактериям выдерживать экстремальные температуры, высокое давление и даже суровые условия открытого космоса. Когда окружающая среда становится подходящей для жизни, споры просыпаются, гидратируясь и перезапуская свой метаболизм. До сих пор ученые не знали, могут ли споры «во сне» следить за изменениями в окружающей среде.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего изучили тысячи бактериальных клеток и обнаружили, что споры в периоде длительного покоя способны обрабатывать информацию, поступающую извне, чтобы определить, подходят ли условия для возвращения к нормальной жизнедеятельности. Они исследовали сенную палочку, которая образует эндоспоры — клетка делится асимметрично, более крупная дочерняя клетка поглощает меньшую, а затем погибает. В результате цитоплазма споры (ядро, или кор) одета двумя мембранами и споровыми покровами. Авторы рассматривали транспорт ионов через внутреннюю мембрану.

Споры сенной палочки Bacillus subtilis в специальной камере получали короткими импульсами дозы питательных веществ (L-аланина) с интервалом 2 часа. Эксперимент показал, что при каждом воздействии споры сенсибилизируются и приближаются к порогу прорастания.

Ключевая роль потока ионов калия в покоящихся спорах была выяснена с помощью математической модели и мутантных штаммов B. subtilis. Ученые создали штамм сенной палочки с поломанным калиевым транспортёром KtrCD. Отсутствие субъединицы KtrC нарушало транспорт К⁺ в клетку во время спорообразования, поэтому содержание калия внутри таких спор было меньше, чем у спор бактерий дикого типа. Мутантные споры Δ KtrC прорастали быстрее — это подтвердило предположение о том, что низкая концентрация К⁺ внутри споры благоприятна прорастанию.

Другой мутантный штамм B. subtilis, ΔYugo, был создан для уточнения роли выходящего калиевого тока. У этих бактерий отсутствовал ионный канал Yugo, отвечающий за выход ионов калия при прорастании споры, следовательно, в таких клетках внутренняя концентрация К⁺ была постоянно повышена. Поэтому споры ΔYugo были менее чувствительными к импульсам питательных веществ и хуже прорастали, чем споры дикого типа. Похожие результаты были получены при обработке спор блокатором калиевых каналов. Кроме того, когда ученые убирали весь калий из внешней среды, увеличивался выходящий ток калия и споры дикого типа B. subtilis прорастали быстрее.

Направление и сила калиевого тока зависят от градиента концентрации К⁺ и потенциала на мембране споры. Внутри покоящихся спор содержание ионов калия выше, чем снаружи, и появление питательных веществ во внешней среде приводит к открытию калиевых каналов и оттоку К⁺ из споры. Поэтому при каждом следующем воздействии понижается электрохимический потенциал и содержание калия внутри споры, что в конечном итоге приводит к её прорастанию.

«Эта работа меняет наше представление о спорах, которые считались инертными объектами», — отмечает Гюрол Сюэль, руководитель работы. Исследователи считают, что новая информация о спорах переосмысливает представления о покоящихся клетках. Результаты позволяют переоценить вероятность существования жизни вне Земли, в том числе на таких объектах, как метеориты.

Бактерии утрачивают спорообразование при адаптации к человеческому кишечнику