Мікробні клітини мають захоплюючу та несподівану систему спілкування

Не кожен день скромні мікробні клітини викликають фурор, але останні дослідження показують, що ці крихітні форми життя мають неочікувану здатність обмінюватися електричними сигналами та координувати рухи. Зовні вони можуть виглядати просто, але нові відкриття показують, що їх внутрішня командна робота складніша, ніж ми колись думали.  Дослідження показує, що колонії одноклітинного організму під назвою Salpingoeca rosetta активно синхронізують свою форму та рух за допомогою сигналів кальцію, керованих напругою.  Схоже, що ця діяльність відбувається на межі багатоклітинності, пропонуючи цікаві підказки про те, як тварини могли отримати свої ранні нервові та м’язові системи.

Передача сигналів у колоніях мікробних клітин

Біологи вже багато років знають, що ці морські мікроорганізми можуть утворювати невеликі кулькоподібні кластери, але лише зараз дослідники розкривають канали зв’язку, які вони використовують для координації змін своєї форми. Дослідження, яке стало центром цього шуму, очолювали перший автор Джеффрі Колгрен і останній автор Павел Буркхардт із групи Буркхардта в Центрі Майкла Сарса Бергенського університету. Вони виявили, що коли ці мікроби з’єднуються в колонії у формі розетки, вони виконують синхронні трюки, що включають скорочення клітин і одночасні «паузи» джгутиків. Група помітила, що ці рухи можна вмикати та вимикати, змінюючи рівні кальцію поза клітинами.

Походження багатоклітинності мікробів

«Ми знайшли зв’язок між клітинами колоній, який регулює форму та биття війок по розетці», — пояснив Колгрен.

Він помітив, що кожна окрема клітина в кластері використовує власні напругозалежні кальцієві канали. Цей же тип каналів присутній у м’язах і нервах тварин.  На перший погляд, це може здатися дивовижним для мікроба, але це підкреслює можливість того, що простіші істоти вже мали будівельні блоки для складних структур тіла. Здатність починати або зупиняти рух на даймі дозволяє кожній клітині реагувати на зміни навколишнього середовища з дивовижною швидкістю.

Паралелі в сигналізації мікробної клітини

Одну інтригуючу паралель можна побачити в деяких губках, які також покладаються на активні тканини, щоб втягувати воду через своє тіло, навіть якщо вони не мають нервів і м’язів. Губка може на короткий час призупинити биття своїх комірцевих клітин після того, як відчує небажані частинки у воді. S. rosetta, зі свого боку, демонструє невелику версію цього процесу, використовуючи скоординовані імпульси кальцію, щоб зупинити биття війок. Спостерігачі помічають, що це явище може відбуватися в унісон по всій колонії, що є справжнім подвигом для організму, який навіть не долає міліметрової позначки.

Багатоклітинність в дії

«S. rosetta є потужною моделлю для дослідження виникнення багатоклітинності», — каже Буркхардт. Лінія поділу між одноклітинним і багатоклітинним життям може бути нечіткою, і такі організми, як S. rosetta, крутяться вперед і назад між поодиноким життям і групуванням. Той факт, що ці мікроби можуть обмінюватися сигналами в межах колонії, свідчить про те, що вони мають принаймні деякі базові з’єднання для співпраці. Така координація може бути особливо корисною в переповнених або мінливих умовах. Вчені підозрюють, що якщо клітини можуть передавати електричні повідомлення по колу, то весь кластер діє як краще харчована, більш уніфікована версія самого себе.

Важливість для ранньої нервової системи

«Цей доказ того, як інформація перетікає між клітинами в колоніях хоанофлагеллят, демонструє передачу сигналів між клітинами на порозі багатоклітинності», — підкреслив Колгрен.

Важливим висновком є ​​те, що група клітин, у яких все ще відсутні справжні нервові волокна, може синхронізувати рухи за допомогою комунікаційних моделей, подібних до тих, що використовуються в нейронах тварин.  Це відкриття збігається з ідеєю про те, що стародавні організми, можливо, починалися з базових електричних мереж, зрештою проклавши шлях для сучасного складного мозку. Це також викликає питання, чи інші, прості форми життя також мають приховані системи зв’язку, які ще не виявлені.

Харчування і координація

Утворюючи розетку, ці клітини розміщують свої живильні структури на зовнішній поверхні. Таке розташування може допомогти їм захоплювати бактеріальну жертву з додатковою ефективністю, особливо якщо кожна клітина координує свої зусилля. Попередні аналізи натякають на те, що покращене годування було ключовою перевагою ранньої багатоклітинності.  Дослідники помітили, що коли вії S. rosetta призупиняються, частинки їжі іноді відриваються, що свідчить про те, що незначні «перезавантаження» забезпечують найкращу роботу механізму фільтра. Колонії можуть навіть обмінюватися інформацією про місцеві рівні бактерій, тому кожен отримує користь від найкращих стратегій під час їжі.

Майбутнє дослідження сигналізації мікробних клітин

«Розроблені інструменти та результати цього дослідження відкривають багато нових і цікавих запитань», — заявив Колгрен. Зараз є бажання дослідити, як саме сигнали переходять від однієї клітини до іншої. 

Лінія дослідження також передбачає, чи можуть ці міні-скорочення впливати на напрямок плавання, відстань між колоніями або виживання в змінному середовищі. Дослідники прагнуть з’ясувати, чи інші види хоанофлагеллят мають таке ж обладнання чи використовують інші методи для клітинної гармонії.  Оскільки команда вдосконалює свої підходи до візуалізації та генетичні підходи, є надія, що майбутні експерименти продовжуватимуть виявляти важливіші підказки про найдавніші іскри функціонування нервів і м’язів.

Озираючись назад, дивлячись вперед

Ажіотаж навколо цих відкриттів відображає те, як мало ми знаємо про тонкі деталі переходу життя від одноклітинних організмів до багатоклітинних тварин і рослин. Те, що виглядає простим або примітивним, може багато чому навчити нас про те, як реальні тіла координують рух, відчувають оточення та розвивають нові типи організації. Хоч як крихітні вони можуть бути, ці розеткоподібні мікроби нагадують нам, що навіть найменші куточки біології таять багато інтриги для тих, хто хоче придивитися ближче. Дослідження опубліковано в Science Advances.