Bakterier kan styra vart de går med hjälp av ett signalnätverk av proteinmolekyler. Forskare vid AMOLF har utvecklat en mikroskopimetod som gör att de kan se hur enskilda bakterier använder detta nätverk för att fatta beslut. De upptäckte att bakterier är förvånansvärt olika i personlighet och humör. Teamet publicerade sina resultat i den vetenskapliga tidskriften eLife den 12 december, 2017.

Bakterie, vara encelliga organismer, inte har ett nervsystem, men kan styra sina rörelser med hjälp av ett nätverk av proteinmolekyler som interagerar på ett speciellt sätt, ungefär som nervcellskretsarna i vår hjärna. "Till exempel E.coli, en ofarlig bakterie som lever i vår tarm, 'vet' hur man avbryter sin annars raka simrörelse med enstaka tumlar som sätter igång den i en ny, slumpmässig riktning, "säger Tom Shimizu, gruppledare för AMOLF:s systembiologigrupp. "E.coli använder sensorproteiner för att upptäcka saker som matmolekyler eller giftiga kemikalier för att avgöra om livet blir bättre eller sämre när det simmar, och styr hur ofta det tumlar för att se till att det hamnar på ett bra ställe. "

Zooma in på enskilda celler

Under många år, forskare har studerat hur dessa molekylära kretsar i bakterier som E.coli svarar på förändringar i deras omgivning, men detta förlitade sig på experiment där signalen måste genomsnittas över hundratals celler. Johannes Keegstra, en doktorand i gruppen Shimizu, ledde ansträngningen att utveckla en mikroskopimetod som gör det möjligt för forskare att se hur proteinnätverket i varje enskild bakterie reagerar på förändringar i miljön, till exempel, mängden mat.

Personlighet

Bakterierna som användes i experimenten hade exakt samma DNA -sekvens (som identiska tvillingar) och odlades också under identiska förhållanden. Ändå, forskarna upptäckte att proteinnätverket i var och en av dem beter sig annorlunda i samma kemiska miljö. "Varje bakterie verkar ha sin egen personlighet, "Säger Keegstra." Till exempel, vi fann att den kemiska koncentration som bakterier svarar på, varierar avsevärt mellan bakterier. "

Humör

Förutom de tydliga skillnaderna i svar mellan bakterier (personlighet), Shimizu och Keegstra såg också att inom varje bakterie, molekylaktiviteten kan förändras avsevärt över tiden. De bevittnade att sättet proteinmolekyler i bakterier interagerar för att kontrollera rörelse inte är stabilt, men varierar ständigt i tid, även i "tysta" miljöer utan förändringar i mängden mat eller gifter. Denna "humörighet" av celler betyder att mekanismen med vilken de "bestämmer" att tumla eller simma rakt på, får ingen stadig ingång, men istället en ingång som varierar slumpmässigt.

Forskarna tror att dessa varierande molekylära budskap måste orsakas av slumpmässiga händelser i cellen. "Vi tror att den bakteriella individualiteten vi hittade inte beror på vare sig naturen (DNA -sekvenser) eller vård (miljöegenskaper), utan snarare till slumpmässiga händelser som molekylära kollisioner inuti bakteriens enda cell, ett klassiskt exempel på vad fysiker kallar 'buller', "Säger Shimizu." Det viktigaste är att bakterierna producerade inga nya proteiner under experimentet. Detta betyder att även om skillnader i personlighet kan orsakas av skillnader i proteinnivåer mellan bakterier, humörsvängningarna måste vara ett resultat av brus i hur dessa proteiner interagerar i varje bakterie. "

Slumpmässig sökning efter mat

"Vi blev verkligen förvånade över hur drastiska deras humörsvängningar är, "Keegstra tillägger." Och eftersom vi vet att bakterierna kan förhindra att dessa budbärarmolekyler interagerar så slumpmässigt, vi tror att de sannolikt gör detta för ett syfte. "

Den ostadiga kontrollen av rörelse kan vara fördelaktig när maten är knapp. I så fall handlar spelet mindre om att svara på sensoriska signaler (som lukt) och mer om att effektivt utforska tomt utrymme för att hitta sällsynta resurser. Temperamentella bakterier skulle göra det bättre att utforska stora områden utan egenskaper eftersom deras humör hjälper till att undvika att komma tillbaka till samma plats.

Keegstra:"Den stora variationen i hur humöriga bakterierna är kan innebära att vissa bakterier fungerar som spanare som utforskar fjärran territorier för tillfälliga men stora vinster, medan andra förblir i närheten och effektivt utnyttjar lokala resurser. En sådan arbetsfördelning kan vara användbar för befolkningen som helhet. "

De nya insikterna om buller i biokemiska nätverk skapar biotekniska möjligheter, hjälpa ingenjörer att bygga system (som bakterier som producerar insulin, till exempel) som antingen är mer robusta mot buller eller utnyttjar det optimalt. Fynden om mer stabila skillnader (personlighet) i bakteriellt beteende kan också påverka medicinska strategier för att rikta patogena bakterier utan att skada goda bakterier.

Studien på AMOLF publicerades i eLife med ett andra papper, 'Flera källor till svängningar i långsam aktivitet i ett bakteriellt kemosensoriskt nätverk', av R. Colin och V. Sourjik från Max-Planck Institute of Terresterial Microbiology.