Кабельні бактерії подихали киснем за себе і за решту колонії

Мікробіологи зафіксували цікаву адаптацію до окислювального стресу в кабельних бактеріях. Виявилося, що невелика частина нитчастої колонії, найбільш наближена до джерела кисню, з напрочуд високою інтенсивністю використовує його для енергетично вигідного аеробного дихання. Решта ж знаходиться в анаеробному середовищі, уникаючи проблем, викликаних окислювальним стресом. Стаття опублікована в

Відколи внаслідок Кисневої катастрофи (2,4-2,0 мільярда років тому) в атмосфері з'явився молекулярний кисень, живі істоти почали зазнавати окислювального стресу. Якісь мікроорганізми вчилися справлятися з активними формами кисню всередині клітин, а інші (в тому числі і еукаріоти) стали отримувати з нього користь, використовуючи кисень як акцептор електронів.

Зараз в умовах сильної гіпоксії (вкрай низької концентрації кисню) мешкають мікроорганізми, що населяють вологі середовища проживання: у донних опадах, біоплівках або кишківнику тварин. Під час еволюції ці мікроби розробили різні механізми, які дозволяють їм жити на кордоні кисневого і безкислородного середовища. Цікавою тактикою користуються морські «кабельні» бактерії з сімейства: їхні колонії формують довгі (до декількох сантиметрів) нитки-кабелі, на всю довжину яких простягається поки ще невідомий дослідникам матеріал, що проводить електрику. Ці нитки-колонії простягаються з безкислородного середовища, звідки бактерії отримують сульфідні сполуки (донори електронів) в кисневу (де є молекулярний кисень, акцептор електронів). Таким чином, процес клітинного дихання в колоніях розбитий на дві частини і рознесений в різні частини ниток.

Дослідники з Орхуського університету з групи Луїса Нільсена (Lars Nielsen) спостерігали за поведінкою бактерій у спеціальній камері: зразок донного ґрунту помістили на один кінець, на іншому знаходилося віконце з доступом кисню. Зразок ґрунту з населяючим його мікробіом використовували, тому що вирощувати кабельні бактерії в чистій культурі поки не вдавалося.

У камері сформувався градієнт концентрації кисню. Там, де його концентрація наближалася до дуже низьких значень (< 5 мікромоль), різні бактерії з ґрунту (не кабельні) утворили різну оком «вуаль», провівши виразний кордон між кисневим і гіпоксійним середовищем. Цей кордон очікувано перетнули нитки кабельних бактерій. Геометрія камери дозволила, знаючи коефіцієнт дифузії кисню, вирахувати, як багато кисню споживали окремі бактерії в колонії.

На подив біологів, кабельні бактерії (ті з них, які перетнули кордон і потрапили в кисневе середовище) продемонстрували дуже високі показники споживання кисню: 2200 наномоль молекулярного кисню на міліграм білка на хвилину. Для порівняння, попередній рекорд серед прокаріот належав бактерії з показником 1570 наномоль молекулярного кисню на міліграм білка в хвилину. При цьому сам механізм клітинного дихання у кабельних бактерій ще тільки належить пояснити.

Частина ниток, що потрапила в кисневе середовище, склала меншу частку колонії: Всього 8,1 6,4 відсотка від всієї її біомаси. Таким чином, всього кілька клітин були відповідальними за весь кисневий обмін колонії. Крайні клітини завжди намагалися триматися в середовищі з менш ніж 14 відсотками насичення повітрям. Щоб досягти цього, вся колонія змінювала своє становище у відповідь на невеликі зміни концентрації повітря кожні 60 секунд. Можливо, сигнал між клітинами передається шляхом зміни електричної напруги ниток.

Через якийсь час вчені спостерігали незворотні зміни в клітинах колоній, підданих впливу кисню. Вчені припустили, що навіть якщо клітини на кінці ниток через вплив кисню помирають, то з еволюційної точки зору така стратегія все ж вигідна: близько 90 відсотків колонії знаходиться в середовищі з вкрай низьким вмістом кисню, не ризикуючи потрапити під руйнівний вплив його активних форм. Такий підхід став прикладом цікавої адаптації кабельних бактерій: їх колонії одночасно використовують потужний акцептор електронів (кисень) і досить ефективно уникають мінуси перебування в кисневому середовищі.

Кабельні бактерії використовують як донор електронів сірку, також існують мікроорганізми, що використовують залізо або азот. Не так давно вчені додали до цього списку марганець, описавши бактерії, які його окисляють.