Beslenmek için çok hücreli bir forma bürünen okyanus bakterileri: Daha kolay yemek için kolektif bir çözüm

Herhangi bir yerde karşılaşabileceğiniz bakterileri hayal edin. Belki de bağırsak Escherichia coli'mizi veya stafilokokların parlak altın toplarını veya Lyme hastalığı spiroketlerinin tirbuşon bukleleri gözünüzün önünde. Tür ve şekli ne olursa olsun, aklınızın gözünün tek bir hücreyi veya belki de birkaç serbest yaşayan hücreyi canlandırması ihtimali oldukça yüksek.

Mikrobiyolog Julia Schwartzman, bu görüntüyle ilgili sorunun, çoğu bakterinin yaşama olasılığını yansıtmaması olduğunu söylüyor. Çoğu zaman bakteriler, biyofilm adı verilen büyük, kararlı topluluklar halinde büyüyen, kendilerini bir yüzeye tutturmak için yapışkan moleküller kullanırlar. Dişlerinizdeki plak bir biyofilmdir; kateterlerdeki enfeksiyonlar, gölet pisliğinin sümüksü yeşili ve küvet giderinizi tıkayan pislikler de öyle.

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

“İnanılmaz olan bu yapıları gördük”

Schwartzman, Cordero ve meslektaşlarının Current Biology'deki son makalelerinde gösterdiği gibi, bu çok hücreli formlar, bakterilerin genellikle tek hücreli organizmalarda görülenden çok daha karmaşık bir yaşam döngüsü geliştirmesi nedeniyle ortaya çıktı.

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 beslendikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek istedi.

Bu nedenle, o ve Cordero'nun laboratuvarındaki bir başka doktora sonrası araştırmacısı Ali Ebrahimi, aljinat yüklü sıcak et suyu şişelerinde ışıldayan deniz bakterisi Vibrio splendidus'un büyümesini ölçmeye başladı. Pek çok mikrobiyoloji deneyinde, bilim insanları, hücreleri mümkün olduğunca çabuk bölünmeye teşvik etmek için mikroplara bir miktar besin sağlar, ancak Schwartzman ve Ebrahimi'nin şişeleri, Vibrio bakterilerini, tıpkı diğer biyokimyada olduğu gibi, nispeten küçük miktarlarda büyük boyutlu aljinat polimerleri üzerinde yaşamaya zorladı.

Yine de Schwartzman veri toplamaya başladığında çaylakça bir hata yaptığını düşündü. Bakteriler çoğaldıkça berrak, kehribar renkli kültür suyunu bulanık bir hale dönüştürürler. Schwartzman, bulanıklığı ölçerek şişedeki mikrop sayısını tahmin edebilir ve hücrelerin ne kadar hızlı bölündüğünü tahmin etmek için bir büyüme eğrisi oluşturabilirdi. Bakteriyologlar, on yıllardır büyüme oranlarını bu şekilde tahmin ediyorlardı.

Bununla birlikte, Vibrio kültürlerinin büyüme eğrisi, her zamanki düzgün yükselen çizgiyi değil, bir roller coaster'ın izi gibi inişli çıkışlı bir dalgalı çizgiyi gösteriyordu. 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. O ve Ebrahimi'nin gördükleri, bireysel Vibrio sürüleri değil, birlikte yaşayan yüzlerce veya binlerce bakteriden oluşan güzel, katmanlı kürelerdi.

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

Daha fazla çalışma, içi boş kürelerin, denizde yemek yemenin karmaşık zorluğuna Vibrio'nun çözümü olduğunu gösterdi. Tek bir bakteri ancak bu kadar enzim üretebilir; Vibrio bir araya gelebildiğinde aljinatın parçalanması çok daha hızlı gerçekleşir. Kazanan bir strateji, diyor Schwartzman - bir noktaya kadar. Çok fazla Vibrio varsa, 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.

 

Aslında 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 için çeşitli şekillerde karşılığını verir. 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?

Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nda mikrobiyal gelişimin evrimini inceleyen ve araştırmaya dahil olmayan Jordi van Gestel'e göre çalışma "güzel bir makale". 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.

Avustralya'daki Macquarie Üniversitesi'nde mikrobiyolog olan Anahit Penesyan, 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 bulgusu, yaşamlarının en azından bir kısmı için çok hücreli olabilen, büyüyen bir mikrop listesine katkıda bulunuyor. Geçen yıl, Georgia Institute of Technology'deki araştırmacılar, laboratuvarlarındaki tek hücreli mayaların sadece iki yıl içinde çok hücreli bir form geliştirdiğini bildirdi. Ve Ekim ayında, Japonya'daki araştırmacılar mağara duvarlarında çok hücreli yapılara dönüşen bakterileri keşfettiklerini duyurdular; kayalar yeraltı akıntıları tarafından ıslatıldığında 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 an meselesi olduğunu düşünüyorlar ve Schwartzman şimdiden araştırmaya başladı. Chicago Üniversitesi'nden emekli bir mikrobiyolog olan James Shapiro'nun onu bulacağından hiç şüphesi yok.

1980'lerden başlayarak, Shapiro ve Princeton Üniversitesi'ndeki Bonnie Bassler gibi diğer mikrobiyoloji armatürleri, iyi çalışılmış bakterilerin tek hücreli yaşam tarzının genellikle içinde büyüdükleri yapay şişe ortamlarının bir eseri olduğunu gösterdi. Yıllık Mikrobiyoloji Dergisi'ndeki 1998 tarihli bir makalede Shapiro, 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.