Тысяча дней в закрытой системе

Ученые из Индианского университета в Блумингтоне и Университета Нотр-Дам исследовали, как бактерии могут жить в среде с недостатком энергии и даже размножаться и эволюционировать. В природе многие бактерии существуют в экстремальных условиях — в вечной мерзлоте, в осадках на дне океана и даже под континентальными плитами. Однако очень мало известно о механизмах, которые используют бактерии для приспособления к бедной ресурсами среде.

В работе были задействованы 100 популяций гетеротрофных микроорганизмов из 21 таксона, которые находились в закрытой системе без притока энергии извне на протяжение 1000 дней. Измеряли скорость роста популяции и гибели клеток, а также количество некромассы. При помощи генетических методов оценили роль образования эндоспор.

Выживаемость каждой популяции проанализировали с помощью распределения Вейбулла. Для всех популяций, кроме одной, скорость прироста (число рождений минус число смертей) увеличивалась со временем, k<1. Это происходило за счет снижения гибели клеток.

Однако для Micrococcus sp. KBS0714 лучше подходила экспоненциальная модель, когда постоянная часть популяции умирает в каждый промежуток времени, k=1. Эта популяция исчезла на 300-й день эксперимента.

Анализ de novo мутаций показал, что скорость появления новых поколений в ходе эксперимента была в разы ниже, чем в условиях избытка ресурсов. В первые 100 дней численность практически всех популяций сильно упала. Впоследствии выжившие клетки использовали в качестве источника энергии некромассу. Это объясняет, почему обнаружили значительно меньшее количество мертвых клеток, чем должно было накопиться за время эксперимента.

По оценкам ученых, продолжительность жизни отдельной клетки составила от 1 до 100 дней, а популяции — от 1 до 100 лет (для Bacillus — до 100 тысяч лет). Чтобы понять, заключается ли уникальность Bacillus в способности формировать эндоспоры, ученые получили микроорганизм без отвечающего за этот процесс гена spoIIE. Это привело к снижению продолжительности жизни популяции на 98%, что все равно больше, чем у остальных бактерий. Кроме этого, ученые показали, что в эксперименте на бактерии действовал естественный отбор, а несинонимичные мутации распределялись неслучайно.

Такой комплексный подход помог выяснить, каким образом развиваются популяции микроорганизмов, находящихся в условиях энергодефицита. Авторы считают, что эти данные можно использовать для лечения инфекций.