Scientific problem

Биологи Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что бактерии — часто рассматриваемые как скромные, простые существа — на самом деле устроены очень непросто. Для социального взаимодействия и общения друг с другом они используют аналогичные нейронным электрические сигнальные механизмы.

В исследовании, опубликованном в Nature, ученые детально описали способы, с помощью которых микроорганизмы Bacillius subtilis (сенные палочки), живущие в сообществах, общаются друг с другом посредством ионных каналов. Оказалось, что бактерии коммуницируют друг с другом, посылая электрические импульсы, подобно нейронам в головном мозге. Возглавил исследовательский проект Гюрол Сюель, профессор молекулярной биологии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

«Наше открытие меняет не только представление о бактериях, но и о мозге. Все наши чувства, поведенческие инстинкты и интеллект возникают с помощью электрических контактов между нейронами, которые соединены ионными каналами. Нам удалось обнаружить, что бактерии используют аналогичные ионные каналы для общения и устранения метаболического стресса. Эксперимент демонстрирует то, что неврологические расстройства, которые вызваны метаболическим стрессом, могут иметь древнее бактериальное происхождение. Таким образом, обнаруживается новый подход к лечению подобных расстройств», — прокомментировал свою работу Гюрол Сюель.

В своей работе Сюель и его коллеги изучали удаленные связи в пределах биопленки, которая представляет собой организованные сообщества, содержащие миллионы плотно упакованных бактериальных клеток. Эти сообщества бактерий могут образовывать тонкие поверхностные структуры, обладающие высокой устойчивостью к химикатам и антибиотикам. Примером такой структуры может служить хорошо известный многим чайный гриб.

Что было ранее?

Интерес ученых к изучению радиолокационных бактериальных сигналов дальнего действия «вырос» из предыдущего исследования. В июле этого года в том же Nature опубликовали результаты эксперимента, в ходе которого ученые установили, что биопленки способны урегулировать «социальные конфликты» в сообществах бактериальных клеток так же, как в человеческом обществе. Когда биопленки, состоящие из сотен тысяч бактериальных клеток сенных палочек, вырастали до определенного размера, то исследователи видели, что защитный наружный край пленки с неограниченным доступом к ней питательных веществ периодически переставал расти, чтобы позволить этим питательным веществам, в частности, глутамату, попасть в защищенный пленочный центр. Таким образом, центральные бактерии оставались в живых и могли устоять под воздействием химикатов и антибиотиков. Поняв, что для таких колебаний между бактериями на периферии и в центре требуется координация на расстоянии, исследователи пришли к пониманию, какой формы электрохимическая коммуникация требуется для этого. Хорошо известно, что глутамат — один из самых распространенных нейромедиаторов возбуждения. Поэтому ученые разработали специальный эксперимент, чтобы проверить свою гипотезу.

В чем заключался эксперимент?

Исследователи наблюдали осцилляции (колебания) мембранного потенциала, соответствующие колебаниям роста биопленки, и обнаружили, что ответственны за эти изменения мембранного потенциала именно ионные каналы. Дальнейшие эксперименты показали, что колебания передаются на расстоянии с помощью электрических сигналов через волны концентраций заряженных ионов калия в межклеточном бактериальном пространстве. Эти волны регулировали метаболическую активность бактерий как во внутренних, так и в наружных областях пленки. Когда ионные каналы, позволяющие калию перемещаться в клетку и из клетки, удалялись, биопленка теряла свою способность к проведению электрических импульсов. Бактерии или «микробный мозг»?

«Мы обнаружили, что бактерии используют ионные каналы, чтобы общаться друг с другом посредством электрических сигналов, как и нейроны в нашем мозге», — говорит Сюель. «Таким образом, сообщество бактерий внутри биопленок, по-видимому, функционирует во многом как «микробный мозг». Сюель добавил, что также механизм общения бактерий друг с другом очень похож на процесс в человеческом мозге, известный, как распространение кортикальной депрессии — один из механизмов развития мигрени и судорог.

«Что интересно, и мигрени у человека, и обнаруженные нами электрические коммуникации в бактериях, запускаются метаболическим стрессом», — замечает ученый. — «Это говорит о том, что многие лекарства, изначально разработанные для того, чтобы бороться с эпилепсией и мигренью, также могут быть эффективны для борьбы с бактериальной биопленкой, которая стала распространенной проблемой в здравоохранении всего мира в силу ее устойчивости к антибиотикам».

Источник: http://www.neurotechnologies.ru/articles?id=31