Расшифровка того, как бактерии реагируют на стресс, может дать новые подсказки для борьбы с порчей пищевых продуктов и борьбы с патогенами пищевого происхождения. Новое исследование было опубликовано в «Молекулярной системной биологии» и проливает свет на давнюю дискуссию по одному из фундаментальных вопросов в данной области: что заставляет находящиеся в стрессовом состоянии бактерии совершать решительный шаг к прекращению нормальных функций и образованию спор?«Люди в нашей области давно задаются вопросом: как спорообразующие бактерии, такие как Bacillus, принимают такое решение?» сказал соавтор исследования Олег Игошин, доцент кафедры биоинженерии Райс и старший научный сотрудник Центра теоретической биологической физики Райса (CTBP). «Существует ли конкретный биохимический триггер, который активирует один из сетевых белков, или споруляция больше является общей физиологической реакцией?»Чтобы сформировать спору с твердой оболочкой, которая может годами существовать без пищи, организм должен направить свою энергию на споруляцию.
Слишком раннее превращение в споры может привести к смерти из-за конкуренции со стороны соседей, которые продолжают размножаться, но откладывание решения может привести к смерти от голода до того, как спора завершится.«Это высокоуровневое решение, которое предполагает, что механизм принятия решения возник в результате интенсивного эволюционного давления», — сказал Игошин. «Также возможно, что организмы использовали этот же механизм для принятия других важных решений».B. subtilis — обычные почвенные бактерии, хорошо известные выжившие. Он не вреден для человека и даже используется в качестве пробиотика в некоторых традиционных продуктах питания.
Он настолько хорош в образовании спор, что это предпочтительный модельный организм для биологов, изучающих споруляцию.Почти десять лет назад Игошин, компьютерный биолог, начал изучать регуляторные гены, которые B. subtilis использует для принятия решений о споруляции.
Он и сотрудники его лаборатории интерпретируют работу коллег-экспериментаторов и разрабатывают компьютерное моделирование для расшифровки работы регулирующей сети, такой как переключатели, петли обратной связи и усилители сигналов, которые B. subtilis использует для принятия решения.В 2012 году Игошин и аспирант Джатин Нарула показали, как регуляторная сеть использует серию вложенных петель с прямой связью для фильтрации сигнального шума, а в 2015 году они раскрыли механизм синхронизации сети, схему, которая использует репликацию ДНК организма, подобную часам. цикл.В новом исследовании, основанном на работе 2015 года, Нарула, Игошин и его коллеги использовали свою компьютерную модель, чтобы показать, как общий физиологический сигнал — замедление клеточного роста — может запускать решения о споруляции B. subtilis.
Игошин сказал, что сеть споруляции очень чувствительна к концентрации ключевого белка, который клетка производит практически с постоянной скоростью. Во время голодания, когда скорость роста клетки замедляется, концентрация этого белка увеличивается, и бактерии с большей вероятностью образуют споры. Теоретическая работа Райса была экспериментально проверена в лаборатории соавтора Гурола Суэла из Калифорнийского университета в Сан-Диего.Эксперименты, проведенные двумя аспирантами в лаборатории Суэля, Анной Кучиной и Фанг Чжан, подтвердили главное предсказание модели: только клетки, которые замедляют свой рост сверх порогового значения, переходят к споруляции.
Экспериментальные данные показали, что количество белков сети споруляции — но не активность белков — модулируется ростом клеток, что противоречит теории о том, что существует определенный биохимический триггер для споруляции.Игошин сказал, что это открытие имеет важное значение для безопасности пищевых продуктов и общей микробиологии.«Споруляция некоторых из близких родственников B. subtilis — большая проблема для индустрии консервирования, потому что многие из этих спор могут выдерживать температуру кипения», — сказал Игошин. «Чтобы убить эти споры, вам нужно приложить одновременно тепло и высокое давление.
Итак, люди искали другие методы, чтобы подавить споруляцию. Если споруляция была вызвана определенной молекулой, то, возможно, можно было бы найти лекарство, блокирующее эту молекулу, но Наши исследования показывают, что споруляция является общей физиологической реакцией и что инженерам по безопасности пищевых продуктов необходимо будет искать другие методы контроля.
«Более того, есть хороший шанс, что этот механизм контролирует ключевые решения у других видов бактерий», — сказал он. «Это связано с очень базовой физиологией бактерий, и в результате я думаю, что это может быть универсальным».