Сталкиваясь с голодом и стрессовыми условиями, некоторые бактерии переходят в состояние покоя, в котором жизненные процессы прекращаются. Переход в состояние глубокого покоя позволяет этим клеткам, называемым спорами, выдерживать экстремальные температуры, давление и даже суровые условия космического пространства.

В конце концов, когда условия становятся благоприятными, споры, которые, возможно, находились в состоянии покоя в течение многих лет, могут пробудиться за считанные минуты и вернуться к жизни.

Споры просыпаются, восстанавливая гидратацию и возобновляя свой метаболизм и физиологию. Но до сих пор ученые не знали, могут ли споры следить за окружающей средой "во сне", не просыпаясь. В частности, не было известно, как споры справляются с неопределенными сигналами окружающей среды, которые не указывают на явно благоприятные условия. Будут ли споры просто игнорировать такие смешанные условия или примут к сведению?

Биологи Калифорнийского университета в Сан-Диего разгадали эту тайну в новом исследовании, опубликованном в журнале Science. Исследователи из Школы биологических наук обнаружили, что споры обладают экстраординарной способностью оценивать окружающую их среду, оставаясь при этом в физиологически мертвом состоянии. Они обнаружили, что споры используют накопленную электрохимическую энергию, действуя подобно конденсатору, чтобы определить, подходят ли условия для возвращения к нормальной функционирующей жизни.

"Эта работа меняет наше представление о спорах, которые считались инертными объектами", - сказал Гюрол Суэль, профессор кафедры молекулярной биологии. "Мы показываем, что клетки в состоянии глубокого покоя обладают способностью обрабатывать информацию. Мы обнаружили, что споры могут высвобождать накопленную ими электрохимическую потенциальную энергию для выполнения вычислений об окружающей среде без необходимости метаболической активности ".

Многие виды бактерий образуют споры — частично обезвоженные клетки, окруженные эластичной защитной оболочкой, — в качестве стратегии выживания, которая позволяет им оставаться в состоянии покоя в течение тысяч лет. Такая замечательная способность делает их угрозой в виде бактериальной сибирской язвы, а также опасностью заражения в медицине и пищевой промышленности.

Сюэль и его коллеги проверили, могут ли спящие споры Bacillus subtilis улавливать кратковременные сигналы окружающей среды, которые недостаточно сильны, чтобы вызвать возвращение к жизни. Они обнаружили, что споры способны подсчитывать такие небольшие входные данные, и если сумма достигает определенного порога, они решают выйти из состояния покоя и возобновить биологическую активность.

Разрабатывая математическую модель, помогающую объяснить этот процесс, исследователи обнаружили, что споры используют механизм, известный как "интегрируйся и воспламеняйся", основанный на потоках ионов калия для оценки окружающей среды. Они обнаружили, что споры реагировали даже на кратковременные благоприятные сигналы, которых было недостаточно, чтобы вызвать выход из состояния покоя. Вместо того, чтобы просыпаться, споры высвобождали часть своего запасенного калия в ответ на каждый небольшой ввод, а затем суммировали последовательные благоприятные сигналы, чтобы определить, были ли условия подходящими для выхода. Такая стратегия кумулятивной обработки сигналов может выявить, действительно ли внешние условия благоприятны, и предотвращает попадание спор в мир неблагоприятных условий.

"Способ, которым споры обрабатывают информацию, похож на то, как работают нейроны в нашем мозге", - сказал Сюэль. "Как у бактерий, так и у нейронов небольшие и короткие входные сигналы суммируются с течением времени, чтобы определить, достигнут ли порог. При достижении порога споры инициируют свое возвращение к жизни, в то время как нейроны запускают потенциал действия для связи с другими нейронами". Интересно, что споры могут выполнять эту интеграцию сигналов, не требуя никакой метаболической энергии, в то время как нейроны являются одними из наиболее энергозависимых клеток в нашем организме.

Исследователи полагают, что новая информация о спорах опровергает популярные представления о клетках в чрезвычайно спящем состоянии, которые кажутся мертвыми. Такие результаты имеют значение для оценки жизни на таких объектах, как метеоры, а также для космических миссий в поисках доказательств существования жизни.

"Эта работа предлагает альтернативные способы борьбы с потенциальной угрозой, исходящей от патогенных спор, и имеет последствия для того, чего ожидать от внеземной жизни", - сказал Сюэль, который связан с Центром системной биологии Сан-Диего, Институтом биосхем и Центром инноваций в микробиоме. "Если ученые обнаружат жизнь на Марсе или Венере, она, вероятно, будет находиться в состоянии покоя, и теперь мы знаем, что жизненная форма, которая кажется полностью инертной, все еще может думать о своих следующих шагах".

Авторами научной статьи являются: Кайто Кикучи, Летиция Галера-Лапорта, Коллин Везервакс, Джейми Лам, Ын Чэ Мун, Эммануэль Теодоракис, Хорди Гарсия-Оджалво и Гюроль М. Сюэль.