La personalità e l'umore oscillano nei batteri

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Anonim

I batteri possono controllare dove vanno usando una rete di segnalazione di molecole proteiche. Gli scienziati dell'AMOLF hanno sviluppato un metodo di microscopia che consente loro di vedere come i singoli batteri utilizzano questa rete per prendere decisioni. Hanno scoperto che i batteri sono sorprendentemente diversi per personalità e umore. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista scientifica eLife il 12 dicembre 2017.

I batteri, essendo organismi unicellulari, non hanno un sistema nervoso, ma sono in grado di controllare i loro movimenti usando una rete di molecole proteiche che interagiscono in modo speciale, proprio come i circuiti delle cellule nervose nel nostro cervello. "Ad esempio, E.coli, un batterio innocuo che vive nel nostro intestino, " sa "come interrompere il suo movimento di nuoto altrimenti dritto da cadute occasionali che lo spinge in una nuova direzione casuale", dice Tom Shimizu, leader del gruppo di AMOLF Gruppo di Biologia dei Sistemi. "E.coli utilizza proteine ​​del sensore per rilevare cose come molecole di cibo o sostanze chimiche tossiche per decidere se la vita sta migliorando o peggiorando mentre nuota, e controlla con quale frequenza rotola per assicurarsi che finisca in un buon posto."

Zoom su singole celle

Per molti anni, i ricercatori hanno studiato come questi circuiti molecolari in batteri come E.coli rispondano ai cambiamenti nei loro dintorni, ma ciò si è basato su esperimenti in cui il segnale doveva essere mediato su centinaia di cellule. Johannes Keegstra, uno studente di dottorato nel gruppo di Shimizu, ha guidato lo sforzo di sviluppare un metodo di microscopia che consente ai ricercatori di vedere come la rete proteica in ogni singolo batterio risponde ai cambiamenti nell'ambiente, ad esempio, l'abbondanza di cibo.

Personalità

I batteri utilizzati negli esperimenti avevano esattamente la stessa sequenza di DNA (come i gemelli identici) e venivano anche coltivati ​​in condizioni identiche. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che la rete proteica in ciascuno di essi si comporta diversamente nello stesso ambiente chimico. "Ogni batterio sembra avere una sua personalità", dice Keegstra. "Ad esempio, abbiamo scoperto che la concentrazione chimica a cui i batteri rispondono varia notevolmente tra i batteri".

Umore

Oltre alle chiare differenze nelle risposte tra i batteri (personalità), Shimizu e Keegstra hanno anche visto che all'interno di ciascun batterio, l'attività molecolare potrebbe cambiare considerevolmente nel tempo. Hanno visto che il modo in cui le molecole proteiche nei batteri interagiscono per controllare il movimento non è costante, ma varia costantemente nel tempo, anche in ambienti "tranquilli" senza cambiamenti nella quantità di cibo o tossine. Questo "malumore" delle cellule significa che il meccanismo con cui "decidono" di ruotare o nuotare dritto non riceve un input costante, ma un input che varia in modo casuale.

I ricercatori ritengono che questi messaggi molecolari variabili debbano essere causati da eventi casuali all'interno della cellula. "Pensiamo che l'individualità batterica che abbiamo trovato non sia dovuta né alla natura (sequenze del DNA) né al nutrimento (caratteristiche dell'ambiente), ma piuttosto a eventi casuali come collisioni molecolari all'interno della singola cellula del batterio, un classico esempio di ciò che i fisici chiamano" rumore ", dice Shimizu. "È importante sottolineare che i batteri non hanno prodotto nuove proteine ​​durante l'esperimento, il che significa che mentre le differenze di personalità potrebbero essere causate da differenze nei livelli proteici tra i batteri, gli sbalzi d'umore dovevano essere il risultato del rumore nel modo in cui queste proteine ​​interagiscono batterio."

Ricerca casuale di cibo

"Siamo rimasti davvero sorpresi di quanto drastici siano i loro sbalzi d'umore", aggiunge Keegstra. "E poiché sappiamo che i batteri possono impedire a queste molecole messenger di interagire in modo casuale, pensiamo che probabilmente lo facciano per uno scopo."

Il controllo instabile del movimento può essere vantaggioso quando il cibo scarseggia. In tal caso, il gioco ha meno a che fare con gli stimoli sensoriali (come gli odori) e su come esplorare in modo efficiente lo spazio vuoto per individuare risorse rare. I batteri temperamentali farebbero meglio ad esplorare ampie aree non strutturate perché il loro umore aiuta a evitare di ritornare nello stesso posto.

Keegstra: "La considerevole variazione nel modo in cui i batteri sono lunatici potrebbe significare che alcuni batteri agiscono come esploratori che esplorano territori lontani per guadagni occasionali ma di grandi dimensioni, mentre altri rimangono nelle vicinanze e sfruttano in modo efficiente le risorse locali. la popolazione nel suo complesso. "

Le nuove intuizioni sul rumore nelle reti biochimiche creano opportunità biotecnologiche, aiutando gli ingegneri a costruire sistemi (come i batteri che producono insulina, per esempio) che sono più robusti per il rumore o lo utilizzano in modo ottimale. I risultati su differenze più stabili (personalità) nel comportamento batterico possono anche influenzare le strategie mediche per colpire i batteri patogeni senza danneggiare i batteri buoni.

Lo studio presso AMOLF è stato co-pubblicato in eLife con un secondo articolo, 'Multiple fonti di fluttuazioni a bassa attività in una rete chemosensory batterica', di R. Colin e V. Sourjik del Max-Planck Institute of Terresterial Microbiology.

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