Когда бактерии умирают, их тела разрываются, и из них вытекает поток питательных веществ для соседних микробов. Живые клетки питаются молекулами, которые выделяют их мёртвые собратья, и, в свою очередь, становятся пищей для других, когда умирают, продолжая процесс переработки питательных веществ.

Однако бактерии — привередливые едоки: они не могут усваивать крупные молекулы, такие как белки, которые должны быть расщеплены на аминокислоты и более мелкие пептиды с помощью ферментов протеаз. Учитывая это, учёные пытаются лучше понять, как микробы добывают и перерабатывают питательные вещества из тел своих умерших соседей.

Теперь исследователи показали, что кишечная палочкакодирует фермент, который помогает расщеплять их белковое содержимое после смерти, чтобы соседние бактериальные клетки могли питаться останками. Результаты, опубликованные в Nature Communications, раскрывают новый посмертный биохимический механизм и дают более глубокое представление о переработке питательных веществ.

«Мы привыкли считать, что смерть — это конец, — сказал Мартин Канн, биохимик из Даремского университета и автор исследования. — Но это исследование, по крайней мере в отношении этой бактерии, показывает, что... генетически закодировано, что после смерти остаётся по крайней мере один фермент, который всё ещё играет функциональную роль в экосистеме».

Изначально работа Кэнна была посвящена восприятию углекислого газа микробами и другими организмами. В 2019 году он посетил лекцию Уилсона Пуна, физика-теоретика из Эдинбургского университета и соавтора исследования, о физике смерти, которая вдохновила Кэнна на изучение новой области — переработки питательных веществ. Пун представил гипотезу об оптимальном способе смерти организма, при котором его могут использовать другие организмы. Заинтересовавшись теорией и отсутствием подтверждающих её экспериментальных данных, Кэнн вскоре объединил усилия с Пуном, чтобы исследовать это явление на примере бактерий.

Бактериальная смерть необходима для переработки питательных веществ, что широко распространено среди бактерий. Чтобы изучить лежащий в её основе механизм, исследователи выбрали кишечную палочку. Они изучили влияние мёртвых клеток кишечной палочки — лизата — на живые клетки кишечной палочки. Живые клетки, обработанные лизатом, показали более активный рост по сравнению с контрольными клетками, обработанными водой.

Канн и его команда выдвинули гипотезу, что белки, выделяемые мёртвыми клетками, являются питательной средой, способствующей росту живых клеток. Поскольку бактерии не могут поглощать белки целиком, исследователи изучили, как ферменты расщепляют белки на пригодные для использования питательные вещества для живых бактерий. Следующий вопрос, который они поставили перед собой, заключался в том, происходят ли эти ферменты из живых или мёртвых клеток.

Исходя из гипотезы Пуна, Канн предположил, что источником ферментов являются мёртвые клетки. Они использовали штамм E. coli, в котором отсутствуют две важные протеазы: Lon и протеаза T внешней мембраны (OmpT). Этот клеточный лизат не способствовал росту живых клеток дикого типа, что подтверждает роль этих ферментов в переработке питательных веществ.

Чтобы определить ответственный за это фермент, Канн и его команда использовали лизат штамма E. coli, в котором отсутствовала каждая из протеаз, для питания живых клеток. В то время как мёртвые клетки, в которых отсутствовал OmpT, способствовали росту живых клеток, лизат, полученный из клеток с отсутствием Lon, этого не делал, что позволяет предположить, что протеаза Lon расщепляет белки, высвобождаемые после смерти, делая их доступными для других живых бактерий.

Затем исследователи обработали E. coli, в которой отсутствует протеаза Lon, лизатом E. coli дикого типа. Это ускорило рост живых клеток, что указывает на то, что живым клеткам не требуется протеаза Lon для переработки питательных веществ; этот фермент играет посмертную роль.

Это был серьёзный сдвиг парадигмы, отметил Канн. «Мы перешли от представлений о живых организмах, разрушающих мёртвые, к представлениям о мёртвых организмах, кодирующих [свой] собственный распад после смерти».

Затем Канн и его команда исследовали, влияет ли система Lon на жизнеспособность клетки. Они заметили, что клетки дикого типа с системой Lon росли медленнее, что указывает на снижение жизнеспособности, в то время как клетки с отсутствием Lon росли с большей плотностью. Это побудило исследователей выяснить, приносит ли фермент какую-либо пользу живым клеткам.

Поскольку Lon-протеаза помогает расщеплять вредные несворачивающиеся белки, образующиеся в условиях стресса, исследователи подвергли клетки тепловому шоку. Клетки дикого типа, подвергшиеся тепловому шоку, росли лучше, чем клетки с отсутствием Lon, что позволяет предположить, что помимо посмертной пользы этот фермент приносит пользу и самим клеткам, которые его вырабатывают.

Однако, когда Канн и его команда культивировали клетки, вырабатывающие Lon, с небольшой долей клеток, не вырабатывающих Lon, популяция последних значительно увеличилась, что продемонстрировало, что другие клетки могут использовать продуцентов Lon. Хотя в стрессовых условиях использование сокращалось, преимущества системы Lon для продуцентов не перевешивали издержки.

Это заставило Кэнна и его команду задаться вопросом, почему такая система могла бы развиться. «Если мы думаем об эволюции, то думаем об эволюции, которая воздействует на организмы и их приспособленность, повышая их способность к размножению, — сказал Кэнн. — Если у нас есть фенотип, проявляющийся после смерти, как такое может возникнуть в результате эволюции?»

В поисках ответа исследователи обратились к Стюарту Уэсту, биологу-эволюционисту из Оксфордского университета и соавтору исследования. Уэст ранее показал, что естественный отбор благоприятствует признаку, если он положительно влияет на успех родственников организма, даже если это дорого обходится самому организму. Исходя из этого, Канн и его команда пришли к выводу, что выработка Lon-протеазы является социальной адаптацией, которую, вероятно, частично можно объяснить этой теорией родственного отбора.

«Это очень всестороннее исследование», — сказал Сунил Лаксман, биохимик из Института науки о стволовых клетках и регенеративной медицины, который не принимал участия в исследовании. Он отметил, что питательные среды для культивирования микроорганизмов содержат расщеплённые белки, поскольку клетки не могут использовать целые белки. Хотя он предполагал, что протеаза играет роль в посмертном повторном использовании питательных веществ, он отметил, что это исследование представляет собой первое экспериментальное доказательство этого явления.

Эксперименты проводились в контролируемых лабораторных условиях, но Лаксман считает, что такая система, скорее всего, будет работать и в естественной среде. По его словам, следующим шагом будет расширение исследования на другие ферменты и микробы. «У различных других микробов есть различные другие протеазы, которых довольно много, и, предположительно, они будут высвобождать их по мере гибели своих клеток».

«Двигаясь вперёд, мы должны понять масштабы этого механизма в биологии», — согласился Канн. Его команда надеется манипулировать такими посмертными ферментами, чтобы улучшить круговорот питательных веществ в промышленных биореакторах и повысить выход рекомбинантного белка.