Et av de best studerte emnene innen molekylærbiologi er bakteriell kjemotaksi - bevegelsen av bakterieceller som svar på kjemiske stimuli. Mens forskere ved UC San Diego trodde de – og vitenskapsmiljøet generelt – visste alt som var å vite om hvordan og hvorfor bakterieceller beveget seg rundt, ble de overrasket over å innse hvor lite de forsto om hvordan bakterier beveget seg rundt som gruppe. Nye funn om denne siste forskningen er publisert som sjeldne rygg-til-rygg-artikler i Nature, 6. november 2019.
I den første artikkelen jobbet den fremtredende professor i fysikk og biologi Terence Hwa, sammen med postdoktor Jonas Cremer og andre UC San Diego-forskere, med modellbakterien E. coli for å vise at kjemotaksi gir en mekanisme for bakteriepopulasjoner å gjennomføre en svært effektiv måte for organisert utforskning inn i ubesatte omkringliggende territorier. I stedet for å starte leting når næringsstoffene tok slutt i det nåværende miljøet, som vanlig antatt, fant forskerteamet ut at bakterier startet leting når de vokste lykkelig i sitt nåværende miljø.
"Faktisk, jo bedre miljøet er, jo mer aktivt engasjert er bakteriene i leting - som minner om hvordan velstående selskaper som Google® engasjerer seg mer aktivt i diversifisering, til tross for deres blomstrende kjernevirksomhet," sa Hwa.
Ved hjelp av høyhastighetsmikroskoper var forskerne i stand til å spore bevegelsen til individuelle bakterier i en populasjon på mange tusen som dannet den såk alte "svermringen" av kjemotaksi - en lett å se "krusning" som utvider seg utover etter at en dråpe bakterier er introdusert til et næringsrikt habitat. Til deres overraskelse observerte forskerne at "svermringen" ikke bare var en liten gruppe distraherte bakterier, slik man vanligvis trodde. I stedet inkluderte ringen av bakterier banebrytende oppdagelsesreisende som replikerte mens de migrerte, og etterlot seg et spor av avkom.
"I motsetning til maurstier, ville de etterfølgende bakteriene ikke migrere, men ville replikere seg på sine respektive lokaliteter bak den ekspanderende ringen, og til slutt fylle hele rommet omsluttet av ringen," forklarte Hwa. "Disse bakteriene ser ut til å være smarte nok til å vite at eksponentiell vekst ikke kan opprettholdes i en gitt lokalitet over lang tid. Så banebrytende oppdagelsesreisende sendes ut mens det er rikelig med næringsstoffer, for at befolkningen ikke skal sitte fast når næringsstoffene går tom.«
Hwa bemerket at selv om forskerne visste godt at bakteriene navigerte seg rundt ved å bevege seg mot høyere konsentrasjoner av visse molekyler k alt "kjemoattraktanter", var det lenge antatt at disse molekylene var "attraktive" fordi de var gode næringskilder. Hwas team viste imidlertid at potente kjemoattraktanter ikke var gode næringskilder for bakteriene, og de var mest potente når de ble presentert i lave doser ledsaget av gode næringsstoffer. Dette førte til at forskerne innså at kjemoattraktantene er mer som aroma enn mat for bakteriene.
"Vi viste hvordan lave nivåer av kjemoattraktanter effektivt kan formes av de banebrytende bakteriene til en gradient for å navigere i leteprosessen, etablere retningen og også øke hastigheten på befolkningsbevegelsen," sa Cremer.
Forskerteamet avsluttet arbeidet med å sammenligne bakterienes navigerte modus for utforskning, bosetting og replikering med den ustyrte "rekkeviddeutvidelsen"-prosessen som ikke involverer kjemotaksi som vanlig antatt i økologi (se film 1). Ettersom befolkningen sprer seg raskere og gir større gevinster under navigert leting, spår Hwa og Cremer at denne prosessen kan bli brukt mye i naturen, langt utenfor bakterieverdenen.
"Det er ikke vanskelig å forestille seg at en populasjon av høyerestående dyr kan bruke en lignende strategi som bakteriene - å modifisere miljøet og generere signaler som leder befolkningen til å ekspandere raskt inn i ubesatte territorier."
Raskere, men ikke nødvendigvis bedre
Den andre artikkel publisert i Nature bygger på erfaringer fra den første. I denne artikkelen studerte Hwa og Cremer, i samarbeid med forskere basert ved det kinesiske vitenskapsakademiet i Shenzhen, Kina, den evolusjonære grunnlaget for den navigerte utforskningsstrategien utført av kjemotaktiske bakterier.
Forskerne studerte kondisjonsfordelene til kjemotaktiske bakterier i forskjellige avstander fra en felles startposisjon gjennom en serie laboratorie-evolusjonseksperimenter for å selektere etter E. coli som vellykket koloniserer habitater av forskjellige størrelser.
"For flere typer bakterier med en rekke hastigheter, ville tradisjonell visdom forvente at den første arten som når et ubebodd habitat vil ha en avgjørende fordel i å kolonisere det habitatet, sammenlignet med andre bakterier med lignende vekstatferd," sa Hwa. "Men våre evolusjonseksperimenter viste overraskende at raskere ikke er nødvendig fordelaktig. Mens raskere stammer har fordeler på avstander langt unna, er langsommere stammer fordelaktige på mindre avstander."
Disse funnene, sammen med resultatene fra den første artikkelen, gjorde det mulig for teamet å oppdage en begrensning mellom ekspansjonshastigheten til en populasjon og størrelsen på habitatet som befolkningen kan lykkes med å kolonisere – det er ganske enkelt størrelsen som ekspanderende befolkningsfront kan nå på flere replikeringstider.
Hwa forklarte at denne begrensningen reflekterer en nødvendig koordinering mellom ekspansjonshastigheten og befolkningsveksten som trengs for å lykkes med å kolonisere nyvunne habitater.
"Hvis ekspansjon skulle skje med en hastighet som er raskere enn organismenes midler til å replikere i det nye landet, ville de ende opp med å miste kravet på landet selv om de okkuperte det først," sa Hwa. "Dette er kanskje analogt med hvorfor Genghis Khans hær kunne feie over halvparten av den siviliserte verden mens de ikke var i stand til å styre det erobrede landet."
Den foreslåtte begrensningen ble kvantitativt validert av forskerne, som gjentok evolusjonseksperimentene i forskjellige habitater, noe som muliggjorde mange kombinasjoner av hastigheter og veksthastigheter. I følge Hwa er det svært sjelden å forutsi utfallet av evolusjonseksperimenter kvantitativt, men suksessen til disse studiene kan gi håp om mer effektive tilnærminger til å undersøke evolusjonære prosesser i fremtiden.
Hwa foreslo også at den typen begrensning de avdekket på letestrategi kan gjelde for andre typer letesystemer, inkludert kanskje voksende svulster eller til og med utvidelse av virksomheter.
Medforfattere av den første artikkelen inkluderer Tomoya Honda fra avdelingen for biologiske vitenskaper og Ying Tang, Jerome Wong-Ng og Massimo Vergassola ved Institutt for fysikk. På den andre artikkelen jobbet Hwa og Cremer med medforfatterne Weirong Liu, Dengjin Li og Chenli Liu fra det kinesiske vitenskapsakademiet.
