Для оптимального использования ресурсов среды бактерии в биоплёнке обмениваются друг с другом электрохимическими импульсами.

Бактерии формируют довольно сложные сообщества, используя для общения друг с другом разнообразные химические сигналы: одна бактерия выделяет некую молекулу, которую ловит другая бактерия и в соответствии с содержанием молекулярного «письма» предпринимает какие-то действия. При этом вовсе необязательно, чтобы такие молекулы создавались именно для «почтовых» целей – они могут быть обычным продуктом жизнедеятельности, просто микроорганизмы научились воспринимать их и как социальные сигналы, сообщающие о том, как идут дела в колонии.

В колониях клетки Bacillus subtilis общаются друг с другом с помощью электрохимических сигналов. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

Бактериальная биоплёнка на поверхности нержавеющей стали. (Фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis.)

Но такие химические послания – не единственный способ общения бактерий: сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что они могут посылать друг другу электрические импульсы, подобные тем, которые бегают в нейронных цепях высших животных. Гюроль Сюэль и его коллеги давно занимаются биоплёнками, которые формируются из множества бактериальных клеток, погружённых в плотный межклеточный матрикс, защищающий бактерий от неблагоприятных воздействий внешней среды – биоплёнки прочно держатся на поверхности субстрата, и в них трудно проникнуть разнообразным токсинам. (Заметим, что биоплёнки образуют не только бактерии, но и грибы, водоросли, простйшие.) Как клетка на краю колонии может узнать, что происходит в центре, если между ней и центром находится участок плотного вещества, через который молекулы могут идти довольно долго? А между тем общение между «окраиной» и «центром», несомненно, имеет место.

Несколько месяцев назад та же группа исследователей опубликовала статью, в которой говорилось, как рост колоний Bacillus subtilis зависит от распределения своеобразных социальных ролей между «окраинными» и «центральными» зонами (на всякий случай оговоримся, что в случае бактерий нельзя говорить об истинных социальных ролях, как они понимаются у насекомых или, скажем, приматов). Такая дифференциация биоплёнки предполагает обмен сигналами между дальними «коллегами»: например «внутренние жители» сообщают «внешним», что рост следует приостановить, потому что питательные вещества не успевают доходить до центра. О том, что здесь задействованы электрические сигналы, удалось догадаться из-за аминокислоты глутамата, недостаток которой в первую очередь побуждал бактерий притормозить с расширением колонии. Глутамат (остаток глутаминовой кислоты) – известный возбуждающий нейромедиатор; с другой стороны, у бактериальных клеток есть специальные белки, работающие ионными каналами, чья задача – пропускать те или иные ионы внутрь клетки или из неё. В нейронах такие каналы приобретают особую важность, ведь для того, чтобы импульс возник и побежал по нейронной мембране, нужно изменить заряд по обе её стороны, а заряд – это ионы.

Словом, у исследователей были предпосылки к тому, чтобы поискать «нейронный» механизм общения у бактерий. И действительно, как пишут авторы работы в Nature, у тех же B. subtilis удалось заметить изменения мембранного электрического потенциала, которые соответствовали изменениями в динамике роста биоплёнки. Причём изменения в мембранном потенциале, обусловленные работой ионных каналов, порождали электрохимический сигнал, который распространялся по всей колонии. Ведущим ионом тут был ион калия: из-за перераспределения калия между клеткой и средой происходили перемены в бактериальном обмене веществ. Если же белки ионных каналов искусственным образом отключали, электрические колебания в колонии прекращались. Есть соблазн сравнить бактериальную колонию с мозгом, однако это будет изрядным преувеличением: электрический обмен сигналами помогает оптимальным образом организовать жизнь биоплёнки, но до сложности и многозадачности нейронных цепей «бактериальном мозгу» очень и очень далеко. Кроме того, ещё предстоит точнее описать механизм распространения сигнала: какова здесь роль глутамата, выступает ли он в данном случае настоящим нейромедиатором и т. д.

Многие патогенные бактерии формируют прочные плёнки, от которых очень трудно избавиться, в конце концов, и кариес у нас начинается из-за таких вот прочно осевших на зубной эмали микробов. Возможно, новые данные помогут нам бороться с трудноуничтожимыми колониями вредных микроорганизмов.