Нематода-сеятель

Наталья Резник
Ната­лья Рез­ник

Мате­ри­аль­ные бла­га в этом мире рас­пре­де­ле­ны нерав­но­мер­но, и живот­ные, что­бы себя ими обес­пе­чить, выкру­чи­ва­ют­ся как могут. Кро­шеч­ная поч­вен­ная нема­то­да Caenorhabditis elegans, один из люби­мых лабо­ра­тор­ных объ­ек­тов, рас­ши­ря­ет свою кор­мо­вую базу, рас­се­вая бак­те­рии, кото­ры­ми потом и пита­ет­ся.

C. elegans насе­ля­ет пре­иму­ще­ствен­но гни­ю­щую орга­ни­ку, где мно­го бак­те­рий. Такие ресур­сы быст­ро исто­ща­ют­ся, поэто­му попу­ля­ции нема­тод под­вер­же­ны рез­ко­му коле­ба­нию чис­лен­но­сти. В поис­ках пищи чер­ви вынуж­де­ны посто­ян­но пере­ме­щать­ся, отыс­ки­вая бога­тые охот­ни­чьи уго­дья. Одна­ко, как пока­за­ли спе­ци­а­ли­сты Прин­стон­ско­го уни­вер­си­те­та, C. elegans уме­ют делать свою сре­ду оби­та­ния более одно­род­ной [1].

В цен­тре чаш­ки Пет­ри с плот­ной пита­тель­ной сре­дой для роста бак­те­рий иссле­до­ва­те­ли вырас­ти­ли неболь­шой круг­лый газон­чик кишеч­ной палоч­ки Escherichia coli. Рядом с этим газон­чи­ком поме­сти­ли одну нема­то­ду стан­дарт­но­го лабо­ра­тор­но­го штам­ма N2. Со вре­ме­нем в чаш­ке ста­ли появ­лять­ся, а затем исче­зать новые коло­нии кишеч­ной палоч­ки. Посколь­ку сами бак­те­рии лише­ны подвиж­но­сти, иссле­до­ва­те­ли заклю­чи­ли, что их пере­но­сит червь. Для удоб­ства наблю­де­ния клет­ки E. coli поме­ти­ли зеле­ным флу­о­рес­ци­ру­ю­щим бел­ком, и ока­за­лось, что чер­ви спо­соб­ству­ют фор­ми­ро­ва­нию новых коло­ний дву­мя спо­со­ба­ми.

1. Caenorhabditis elegans рассевает бактерии, прилипшие к телу. Нематоду поместили рядом с колонией кишечной палочки, которая обведена красным пунктиром. На фотографии, сделанной спустя четверо суток, видны небольшие колонии, выросшие по пути следования червя. На выноске — черви, посетившие эти колонии [1]
1. Caenorhabditis elegans рас­се­ва­ет бак­те­рии, при­лип­шие к телу. Нема­то­ду поме­сти­ли рядом с коло­ни­ей кишеч­ной палоч­ки, кото­рая обве­де­на крас­ным пунк­ти­ром. На фото­гра­фии, сде­лан­ной спу­стя чет­ве­ро суток, вид­ны неболь­шие коло­нии, вырос­шие по пути сле­до­ва­ния чер­вя. На вынос­ке — чер­ви, посе­тив­шие эти коло­нии [1]
2. C. elegans переваривает не всё, что глотает. Стрелка указывает на фекалии червя, содержащие бактерии [1]
2. C. elegans пере­ва­ри­ва­ет не всё, что гло­та­ет. Стрел­ка ука­зы­ва­ет на фека­лии чер­вя, содер­жа­щие бак­те­рии [1]
Чаще все­го бак­те­рии при­ли­па­ют к влаж­но­му телу нема­то­ды, когда она про­пол­за­ет по плот­ной коло­нии, а затем отва­ли­ва­ют­ся во вре­мя стран­ствий по ага­ро­вым про­сто­рам (рис. 1). Кро­ме того, червь пере­ва­ри­ва­ет не всех бак­те­рий, кото­рых про­гло­тил, неко­то­рые оста­ют­ся непо­вре­жден­ны­ми и выхо­дят нару­жу вме­сте с фека­ли­я­ми (рис. 2). Иссле­до­ва­те­ли даже запи­са­ли про­ис­хо­дя­щее на видео­ка­ме­ру [2]. Когда из остав­лен­ных на пути сле­до­ва­ния кле­ток обра­зу­ют­ся коло­нии, чер­вям оста­ет­ся лишь вер­нуть­ся по соб­ствен­ным сле­дам и съесть посе­ян­ное. В есте­ствен­ных усло­ви­ях нема­то­ды рас­про­стра­ня­ют бак­те­рии, когда засе­ля­ют гни­ю­щие фрук­ты или пори­стую поч­ву.

Раз­ма­зы­вая бак­те­рии по чаш­ке, чер­ви N2 сни­жа­ют плот­ность исход­ной коло­нии и спо­соб­ству­ют обра­зо­ва­нию более мел­ких. Такие коло­нии рас­тут быст­рее, посколь­ку им доступ­нее пита­тель­ные веще­ства. Подоб­ное пове­де­ние мож­но назвать бак­те­ри­аль­ным фер­мер­ством. Потре­би­тель (нема­то­да) фак­ти­че­ски раз­во­дит бак­те­рий, улуч­шая их доступ к пита­тель­ным веще­ствам, спо­соб­ствуя таким обра­зом росту их чис­лен­но­сти и полу­чая от это­го свои пре­иму­ще­ства.

Увы, все­гда най­дут­ся рас­хи­ти­те­ли чужих посе­вов и стад. Не все C. elegans в состо­я­нии хозяй­ство­вать. Иссле­до­ва­те­ли повто­ри­ли экс­пе­ри­мент с нема­то­да­ми, мутант­ны­ми по гену srf-3. Мута­ция меня­ет свой­ства покро­вов чер­вя таким обра­зом, что бак­те­рии к ним не при­ли­па­ют. Чер­ви srf-3 пере­ме­ща­ют­ся по чаш­ке не менее актив­но, чем N2, одна­ко бак­те­рий прак­ти­че­ски не пере­но­сят. Эти раз­ли­чия ска­зы­ва­ют­ся на дина­ми­ке попу­ля­ций раз­ных штам­мов: в оди­на­ко­вых усло­ви­ях чис­лен­ность мутан­тов рас­тет мед­лен­нее. Если же обес­пе­чить чер­вям srf-3 бак­те­ри­аль­ный газон такой же пло­ща­ди, какую засе­ва­ют N2, мутан­ты будут актив­но раз­мно­жать­ся. Таким обра­зом, пре­иму­ще­ства N2 объ­яс­ня­ют­ся имен­но их фер­мер­ством.

Экс­пе­ри­мен­ты пока­за­ли, что в сме­шан­ной попу­ля­ции мутан­ты поль­зу­ют­ся пло­да­ми тру­дов N2 в той же сте­пе­ни, что и сами фер­ме­ры. На чаш­ке с бак­те­ри­я­ми нет про­стран­ствен­но­го раз­де­ле­ния меж­ду тру­дя­га­ми и нахлеб­ни­ка­ми, и их чис­лен­ность рас­тет оди­на­ко­во. Фер­ме­рам не меша­ют даже энер­ге­ти­че­ские затра­ты на раз­ве­де­ние бак­те­рий. Прав­да, в лабо­ра­то­рии боль­ших затрат и не тре­бу­ет­ся, одна­ко в есте­ствен­ных усло­ви­ях дело обсто­ит ина­че. В поч­ве встре­ча­ют­ся не толь­ко съе­доб­ные бак­те­рии, но и дру­гие мик­ро­ор­га­низ­мы, пато­ген­ные для нема­тод. Таким обра­зом, фер­ме­ры, рас­се­ля­ю­щие бак­те­рии, риску­ют зара­зить­ся и погиб­нуть. Нелип­кие мутан­ты более устой­чи­вы к пато­ге­нам. Вто­рая про­бле­ма фер­ме­ров — актив­ное пище­вое пове­де­ние, кото­рое меша­ет уде­лять доста­точ­но вре­ме­ни раз­мно­же­нию. Послед­ствия тако­го пове­де­ния уче­ные наблю­да­ли в лабо­ра­то­рии. Если посе­ять коло­нию E. coli в чаш­ку боль­ше­го диа­мет­ра — не 9, а 15 см, — чер­ви N2 рас­се­ля­ют бак­те­рий по всей пло­ща­ди ага­ра. Чис­лен­ность кишеч­ной палоч­ки замет­но воз­рас­та­ет, коли­че­ство нема­тод уве­ли­чи­ва­ет­ся вдвое. Одна­ко зна­че­ние 15 см ока­за­лось кри­ти­че­ским для чер­вей. На этой пло­ща­ди чис­лен­ность их попу­ля­ции мак­си­маль­на, при даль­ней­шем уве­ли­че­нии ради­у­са она пада­ет: у нема­тод, заня­тых иссле­до­ва­ни­ем доступ­ных про­странств, сни­жа­ет­ся рож­да­е­мость.

Раз­ра­бо­тан­ная иссле­до­ва­те­ля­ми мате­ма­ти­че­ская модель пока­за­ла, что нали­чие пато­ген­ных бак­те­рий и актив­ное обсле­до­ва­ние обшир­ных тер­ри­то­рий сокра­ща­ет чис­лен­ность фер­ме­ров по срав­не­нию с ситу­а­ци­ей, когда пат­ру­ли­ру­е­мая в поис­ках пищи пло­щадь неве­ли­ка. В таких усло­ви­ях в сме­шан­ной попу­ля­ции пре­иму­ще­ства полу­ча­ют мутан­ты, кото­рые реже боле­ют и кото­рым при этом бес­плат­но доста­ют­ся пло­ды фер­мер­ских тру­дов. Одна­ко в одно­род­ной попу­ля­ции, состо­я­щей из нема­тод одно­го фено­ти­па, фер­ме­ры всё же дости­га­ют более высо­кой плот­но­сти, чем мутан­ты.

С. elegans и E. coli — пре­крас­но изу­чен­ные лабо­ра­тор­ные объ­ек­ты. Вза­и­мо­от­но­ше­ния меж­ду ними пред­став­ля­ют, по мне­нию уче­ных, удоб­ную модель для изу­че­ния ана­ло­гич­ных про­цес­сов в более слож­ных систе­мах. Напри­мер, обна­ру­жен­ные зако­но­мер­но­сти напо­ми­на­ют уче­ным рас­про­стра­не­ние семян и пере­нос инфек­ции. Экс­пе­ри­мен­таль­но иссле­до­вать эти про­цес­сы слож­но и дол­го. А систе­ма «нема­то­да — бак­те­рии» поз­во­лит быст­ро про­ве­рять свя­зан­ные с ними гипо­те­зы. Иссле­до­ва­те­ли даже про­во­дят парал­лель меж­ду фер­мер­ством C. elegans и пер­вых зем­ле­дель­цев, кото­рые нес­ли собран­ные семе­на в свои посе­ле­ния, про­сы­пая по доро­ге, и со вре­ме­нем всё боль­ше и боль­ше пше­ни­цы коло­си­лось вдоль излюб­лен­ных троп людей и рядом с их дома­ми. Кра­си­вая ана­ло­гия.

Ната­лья Рез­ник

1. Thutupalli S., Uppaluri S., Constable G., Levin S., Stone H., Tarnita C., Brangwynne C. Farming and public goods production in Caenorhabditis elegans populations /​/​ Proc Natl Acad Sci USA.2017. 114. 2289–2294. doi: 10.1073/pnas.1608961114

2. www.pnas.org/content/suppl/2017/02/09/1608961114.DCSupplemental

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: