Ритмы метаболической активности в бактериальной клетке меняются в зависимости от того, много ли питательных веществ вокруг неё и что за бактерии-соседи живут рядом.

Животные придерживаются своего распорядка дня: кто-то просыпается рано, кто-то поздно, у кого-то пик активности приходится на дневные часы, у кого-то на позднюю ночь. Называется это суточными ритмами, и найти их можно у большинства живых существ, хотя у разных видов суточные ритмы обладают собственными индивидуальными особенностями. При этом мы считаем, что у одного и того же вида суточный ритм не меняется: ночной зверь не выйдет на охоту днём, а дневная птица не будет петь ночью. Однако бактерии такое представление опровергают – как оказалось, пики активности важнейших молекулярных процессов в бактериальной клетке могу зависеть от конкретной экологической ситуации.

Разнообразный микробный планктон под электронным сканирующим микроскопом. (Фото Ed DeLong and David Karl / MIT).

Обнаружили это исследователи из Массачусетского технологического института, проанализировавшие изменения в синтезе мРНК у множества морских бактерий. Образцы бактериальной микрофлоры собирали в северной части Тихого океана, причём из каждой популяции микроорганизмов пробы брали несколько раз с интервалом в несколько часов. Затем в лаборатории анализировали мРНК бактерий, чтобы узнать, какие гены были активны в тот или иной момент времени. Особое внимание при этом уделяли генам-регуляторам энергетического метаболизма и белкового синтеза.

Доминирующей группой в собранных образцах были бактерии Prochlorococcus, самые многочисленные фотосинтетики на Земле. Понятно, что в силу жёсткой зависимости от солнечного света у самых разных генов Prochlorococcus был чёткий суточный цикл активности. Однако и гетеротрофные разновидности бактерий, которые потребляют готовые органические вещества, тоже демонстрировали явные суточные «привычки». Например, бактерии группы Roseobacter начинали активничать раньше прочих микробов – их системы дыхания и синтеза белка начинали работать на полную силу раньше, чем у других.

В целом, как пишут Эдвард ДеЛонг (Edward DeLong) и его коллеги в статье в Science, по бактериальному сообществу проходила волна активности, которая начиналась утром с фотосинтезирующих Prochlorococcus и дальше переходила на гетеротрофные виды, потреблявшие органику, произведённую фотосинтетиками. Уровень и время активности той или иной разновидности бактерий зависел от того, какой у них уровень обмена веществ, то есть сколько органики им нужно для поддержания жизнедеятельности.

Казалось бы, что тут удивительного, циркадные, или суточные ритмы есть у представителей всех трёх доменов жизни – у бактерий,  архей и  эукариот. Однако до сих пор бактериальные суточные ритмы наблюдали в основном у фотосинтезирующих видов. То, что такие суточные молекулярно-клеточные «привычки» есть и у гетеротрофных групп, оказалось для биологов в некотором роде сюрпризом.

И, наконец, самое главное – настройка метаболической активности у бактерий зависит от того, где и в каком окружении они живут. В прошлом году аналогичное исследование проводили с прибрежной микрофлорой, и тогда такой жёсткой суточной отрегулированности метаболических путей обнаружить не удалось. Дело тут, очевидно, в том, что в прибрежных водах бактерии берут питательные вещества из разных источников – например, у берега могут жить много разных фотосинтезирующих видов, плюс ко всему там может присутствовать какая-то органика, занесённая с суши, и в таком изобилии нет смысла как-то специально настраивать свой суточный ритм под кого-то.

А вот в открытом океане всё более-менее сводится к одному поставщику – фотосинтезирующим Prochlorococcus. То есть циркадный ритм может зависеть от солнца опосредованно, через суточный ритм другого вида; кроме того, такой суточный ритм может меняться в зависимости от текущей экологической ситуации, в зависимости от окружения. Вполне возможно, что и у более изученных в этом смысле животных и людей подобные факторы тоже могут играть свою роль.