Gözlerinizi kapatın ve bakterileri hayal edin. Belki de bağırsaklarımızı hayal ediyorsun Escherichia coliveya stafilokokların parlak altın topları veya Lyme hastalığı spiroketlerinin tirbuşon bukleleri. Tür ve şekli ne olursa olsun, aklınızın gözünün tek bir hücreyi veya belki de birkaç serbest yaşayan hücreyi canlandırması ihtimali vardır.

Bu görüntüyle ilgili sorun, mikrobiyolog diyor Julia Schwartzman, çoğu bakterinin yaşama olasılığını yansıtmamasıdır. Çoğu zaman, bakteriler kendilerini bir yüzeye tutturmak için yapışkan moleküller kullanırlar. büyük, istikrarlı kolektifler biyofilmler denir. Dişlerinizdeki plak bir biyofilmdir; Kateterlerdeki enfeksiyonlar, gölet pisliğinin sümüksü yeşili ve küvet giderinizi tıkayan pislikler de öyle.

Ancak Schwartzman'ın doktora sonrası araştırmacı olarak yürüttüğü son çalışması, Otto Cordero Massachusetts Institute of Technology'de, açık okyanusta yüzen ve büyük kümeler oluşturmak için bir demirleme noktasından yoksun bakterilerin bile çok hücreli formlarda var olduğunu gösteriyor.

“İnanılmaz olan bu yapıları gördük” dedi.

Schwartzman, Cordero ve meslektaşlarının çalışmalarında gösterdiği gibi en son makale Current BiologyBu çok hücreli formlar, bakterilerin genellikle tek hücreli organizmalarda görülenden çok daha karmaşık bir yaşam döngüsü geliştirmesi nedeniyle ortaya çıktı.

Akşam Yemeği için Şirket

Schwartzman, deniz bakterilerindeki çok hücrelilikle ilgili bu keşiflere, daha temel bir şeyi öğrenmeye çalışırken geldi: nasıl yedikleri.

Açık okyanusta, deniz mikropları için genellikle tek enerji kaynağı, aljinat adı verilen jelatinimsi bir karbonhidrattır. Bir hücre zarını kolayca geçebilen glikoz, fruktoz ve diğer basit şekerlerin aksine, aljinat genellikle üzerlerinde yemek yiyen bakterilerden daha büyük olan uzun, sarmal ipliklerden oluşur. Schwartzman, aljinatı parçalamak için salgıladıkları sindirim enzimleri kolayca seyreltilip açık okyanus sularında süpürülebildiğinden, bakterilerin nasıl verimli bir şekilde ziyafet çektiği hakkında daha fazla bilgi edinmek istedi.

Bu yüzden o ve Cordero'nun laboratuvarındaki bir başka doktora sonrası araştırmacı olan Ali Ebrahimi, ışıldayan deniz bakterisinin büyümesini ölçmeye başladı. vibrio muhteşem aljinat yüklü sıcak et suyu şişelerinde. Birçok mikrobiyoloji deneyinde, bilim adamları, hücreleri olabildiğince çabuk bölünmeye teşvik etmek için mikroplara bir miktar besin sağlar, ancak Schwartzman ve Ebrahimi'nin şişeleri, Vibrio bakteriler, tıpkı denizde olduğu gibi, nispeten küçük miktarlarda büyük boyutlu aljinat polimerleri üzerinde yaşamak için.

Yine de Schwartzman veri toplamaya başladığında çaylak bir hata yaptığını düşündü. Bakteriler çoğaldıkça berrak, kehribar renkli kültür suyunu bulanık bir yahniye dönüştürürler. Schwartzman, bulanıklığı ölçerek şişedeki mikrop sayısını tahmin edebilir ve hücrelerin ne kadar hızlı bölündüğünü tahmin etmek için bir büyüme eğrisi oluşturabilir. Bakteriyologlar, on yıllardır büyüme oranlarını bu şekilde tahmin ediyorlardı. Bir doktora sonrası olarak, Schwartzman bunu yıllar içinde kaç kez yaptığını unutmuştu.

Onun için büyüme eğrisi Vibrio Bununla birlikte, kültürler her zamanki düzgün yükselen çizgiyi değil, bir roller coaster'ın izi gibi inişli çıkışlı bir dalgalı çizgiyi gösterdi. İşlemi kaç kez tekrarlasa da bakteri, çorbada beklenen bulanıklığı üretmedi.

Mikroskobik Kar Küresi

Neler olup bittiğini kontrol etmek için Schwartzman, bir cam mikroskop lamı üzerine kültür çözeltisinden bir damlacık bıraktı ve lensin içinden 40 kat büyüterek baktı. Onun ve Ebrahimi'nin gördükleri bireysel sürüler değildi. Vibrio ama bir arada yaşayan yüzlerce veya binlerce bakteriden oluşan oldukça güzel, katmanlı küreler.

Schwartzman, "Sadece bir bakteri bloğu değildi" dedi. "Küresel bir şey ve ortada hücrelerin karıştığını görebilirsiniz."

Daha fazla çalışma, içi boş kürelerin olduğunu gösterdi. Vibriodenizde yemek yemenin karmaşık zorluğuna çözüm. Tek bir bakteri ancak bu kadar enzim üretebilir; aljinatın parçalanması ne zaman çok daha hızlı gider Vibrio birlikte kümelenebilir. Kazanan bir strateji, diyor Schwartzman - bir noktaya kadar. çok fazla varsa Vibrio, bakteri sayısı mevcut aljinatı geride bırakır.

Bakteriler, daha karmaşık bir yaşam döngüsü geliştirerek bilmeceyi çözdü. Bakteriler üç farklı evrede yaşarlar. İlk başta, tek bir hücre tekrar tekrar bölünür ve yavru hücreler büyüyen kümeler halinde toplanır. İkinci aşamada, kümelenmiş hücreler kendilerini içi boş bir küre şeklinde yeniden düzenler. En dıştaki hücreler kendilerini birbirine yapıştırarak mikroskobik bir kar küresi gibi bir şey oluşturur. İçerideki hücreler, sıkışan aljinatı tüketirken yüzerek daha hareketli hale gelir. Üçüncü aşamada, kırılgan dış katman yırtılır ve iyi beslenmiş iç hücreleri serbest bırakarak döngüyü yeniden başlatır.

Etkisinde, Vibrio Bakterilerin her aşamada davranışlarını kontrol etmek için farklı genler kullandığı heterojen bir hücre karışımı haline gelir. Ocak ayında Güney Kaliforniya Üniversitesi'nde kendi laboratuvarını kuran Schwartzman, hücreler yapıdaki komşularıyla etkileşime girdikçe ortaya çıkan şeyin "şaşırtıcı miktarda karmaşıklık" olduğunu söylüyor. "Bakteriler sürekli olarak çevrelerinden bilgi alıyorlar ve bazen çevreyi değiştirecek şekilde tepki veriyorlar."

Bu karmaşıklık Vibrio çeşitli yollarla. Bakteriler, yaşam döngülerini çok hücreli bir aşama içerecek şekilde değiştirerek aljinatı verimli bir şekilde sindirebilir: Sayıları artar ve içi boş kabuk enzimlerin konsantre olmasına yardımcı olur. Bu arada topluluğun yapısı gereğinden fazla hücrenin doğmasını engeller. Kabuktaki hücreler çoğalma fırsatını kaybeder, ancak küredeki tüm hücreler klon olduğu için DNA'ları bir sonraki nesilde yaşamaya devam eder.

Çok Hücrelilik Ne Kadar Yaygındır?

İş, "güzel bir kağıt" Jordi van GestelAvrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nda mikrobiyal gelişimin evrimini inceleyen ve araştırmaya dahil olmayan Dr. Van Gestel, sonuçların, istisna olmaktan çok uzak, mikrobiyal grup yaşamının norm olduğu fikrini desteklediğini söylüyor.

“Böyle basit bakterilerde yaşam döngüsünün karmaşıklığını güzel bir şekilde gösteriyor” dedi.

Anahit PenesyanAvustralya'daki Macquarie Üniversitesi'nden bir mikrobiyolog, Schwartzman ve Cordero'nun çalışmalarının bakteriler hakkındaki önyargılara faydalı bir meydan okuma sunduğunu söylüyor. “Bir mikrobun sadece tek bir hücre olduğu anlayışımıza kazınmış durumda” dedi ve sonuç olarak, araştırmacılar genellikle mikrobiyal yaşama hükmedebilecek karmaşık davranışlar aramıyorlar. "Bir bitki tohumuna veya sporuna bakıp bütün bitkinin neye benzediğini çıkarmaya çalışmak gibi."

Yeni Vibrio Bulgu, yaşamlarının en azından bir kısmı için çok hücreli olabilen, büyüyen bir mikrop listesine eklenir. Geçen yıl Georgia Institute of Technology'deki araştırmacılar, laboratuvarlarındaki tek hücreli mayaların bir evrim geçirdiğini bildirdi. devasa çok hücreli form sadece iki yıl içinde. Ve Ekim ayında Japonya'daki araştırmacılar keşiflerini duyurdular mağara duvarlarında çok hücreli yapılara dönüşen bakterilerin; kayalar yeraltı akıntıları tarafından batırıldığında, yapılar diğer yerleri kolonize etmek için tohumlar gibi özel hücreleri dışarı atar.

Schwartzman ve van Gestel, çok hücrelilik kapasitesinin yaşam tarihinin erken dönemlerinde evrimleştiğine ve bakterinin tek hücreli gibi görünen eski kuzenleri arke ile paylaşıldığına inanıyor. Araştırmacıların benzer özelliklere sahip başka türler bulmasının sadece bir zaman meselesi olduğunu düşünüyorlar - ve Schwartzman şimdiden aramaya başladı.

James Shapiro, Chicago Üniversitesi'nden emekli bir mikrobiyolog, onu bulacağından çok az şüphe duyuyor.

1980'lerden başlayarak, Shapiro ve diğer mikrobiyoloji armatürleri Bonnie Bassler Princeton Üniversitesi'nde, üzerinde iyi çalışılmış bakterilerin tek hücreli yaşam tarzının, genellikle büyüdükleri yapay şişe ortamlarının bir eseri olduğunu gösterdi. İçinde bir 1998 makalesi içinde Mikrobiyolojinin Yıllık İncelemesiShapiro, bakterilerin tek hücreli yalnızlar olmadığını savundu. “Temelde tüm bakterilerin çok hücreli organizmalar olduğu sonucuna vardım” dedi.

Shapiro, kırk yıllık kariyeri boyunca, hipotezinin neredeyse sapkınlıktan tartışılmaza dönüştüğünü gördü. "İlk başta, sadece şaşkınlıkla dikkatimi çekti, ama şimdi geleneksel bilgelik haline geldi" dedi. "Çok hücrelilik, bakterilerin doğal bir özelliğidir."

Editörün notu: Cordero, Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems'in eş direktörüdür. Schwartzman, Cordero ve meslektaşları tarafından yürütülen araştırma, editoryal olarak bağımsız bu dergiye de sponsor olan Simons Vakfı'nın bu işbirliğiyle desteklendi.