Tí, ktorí rastú rýchlejšie, sú mŕtvi skôr - Ako rýchlosť rastu ovplyvňuje kondíciu baktérií
Elena Biselli pri mikroskope Andreas Heddergott/TUM
„Fyzická zdatnosť baktérií je zložitejšia, ako sa očakávalo,“ vysvetľuje Ulrich Gerland, profesor teórie komplexných biosystémov na Technickej univerzite v Mníchove. Fyzik niekoľko rokov študoval stratégie prežitia baktérií E. coli.
Jednobunkové organizmy s latinským názvom Escherichia coli, ktoré podporujú trávenie v hrubom čreve cicavcov, sú obľúbeným vzorovým organizmom. S ich pomocou je možné študovať, ako sa živé veci dokážu adaptovať na meniace sa podmienky prostredia.
Prežiť v zlých časoch
„Doteraz sa vedelo, že biologická zdatnosť závisí od dvoch vecí: od rýchlosti rastu, keď je jedlo k dispozícii, a od schopnosti prežiť v čase nedostatku živín,“ vysvetľuje vedec. „Nebolo však jasné, ako tieto dva faktory súvisia.“
Gerland spolu so svojím tímom po prvýkrát systematicky skúmal, do akej miery ovplyvňuje rýchly alebo pomalý rast prežitie baktérií E. coli:
„Ukázalo sa, že zmeny v podmienkach rastu majú priamy vplyv na úmrtnosť. Nasledujú jednoduchý zákon: najlepšie vyživované a najrýchlejšie rastúce baktérie sú tiež prvé, ktoré zomrú, keď sú zbavené potravy. ““
Veľké baktérie - zlá kondícia
Takže príliš veľa jesť je zlé pre bakteriálnu zdatnosť. Ale prečo? Aby našli odpoveď na túto otázku, vedci TUM uskutočnili rôzne experimenty: Najskôr boli kultúry baktérií E. coli zásobené výživnými roztokmi s rôznym obsahom.
V druhom kroku sa jednobunkové organizmy dostali do nulovej stravy. Vedci počas celého obdobia skúmali, či a ako rýchlo sa bunky množili a ako dlho prežili.
boj o prežitie
Výskum ukázal, že bez ohľadu na to, ako dobre alebo nedostatočne vyživované, sa baktérie prestanú množiť, keď im chýba jedlo. V tejto „udržiavacej fáze“ organizmus bojuje za holé prežitie: Na udržanie metabolizmu sa používajú všetky dostupné zdroje energie - napríklad aj pozostatky buniek iných druhov, ktoré už uhynuli.
V tejto extrémnej situácii mnoho buniek zomrie od hladu v priebehu niekoľkých dní. Miera úmrtnosti je obzvlášť vysoká medzi rýchlo rastúcimi baktériami E. coli. „Sú určené na rýchly rast a sú zbytočným zdrojom energie. Toto je ich zánik vo fáze hladu, “vysvetľuje Gerland.
Ako dokazujú ďalšie experimenty, predtým hojne vyživované baktérie majú tiež zvýšenú potrebu energie. A tí, ktorí potrebujú veľa energie, nemôžu prežiť časy hladu.
„Teraz chápeme, prečo evolúcia nepraje najrýchlejšej možnej reprodukcii,“ hovorí Gerland. „Biologická zdatnosť, ktorá je rozhodujúca pre prežitie druhu, je založená na rovnováhe medzi rastom a prežitím.“
Antibiotická terapia mrkvou a tyčinkou
Výsledky výskumu možno možno v budúcnosti využijú na zlepšenie účinnosti antibiotík, napríklad: „Podľa princípu mrkva a tyčinka by človek mohol napríklad stimulovať rast črevných baktérií konzumáciou dezertu. To by ich oslabilo, ak by ste potom užívali antibiotikum proti črevnej infekcii, “vysvetľuje Gerland. Na vypracovanie konkrétnych odporúčaní je však ešte príliš skoro. Tu je potrebný ďalší výskum.
Výskum bol financovaný Nemeckou asociáciou pre výskum (DFG; SPP1617 a SFB/Transregio 174), výskumným grantom DFG od Graduate School of Quantitative Biosciences Munich (QBM) a výskumným grantom od Európskej organizácie pre molekulárnu biológiu (EMBO). Výskumy sa uskutočňovali na katedre fyziky komplexných biosystémov a vo Výskumnom centre pre bielu biotechnológiu pri TUM.
Prof. Dr. Ulrich Gerland
Teória komplexných biosystémov
Technická univerzita v Mníchove
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Nemecko
Tel.: +49 89 289 12394 - E-mail: [email protected]
Elena Biselli, Severin Josef Schink, Ulrich Gerland:
Pomalší rast Escherichia coli vedie k dlhšiemu prežitiu pri hladovaní uhlíkom v dôsledku zníženia rýchlosti údržby
Molecular Systems Biology, (2020) 16: e9478 - DOI: 10,15252/msb.20209478