Vi khuẩn hình thành các cấu trúc phức tạp như những gì nhìn thấy ở động vật
Màng sinh học vi khuẩn chứa một mức độ tổ chức cấu trúc mà chúng tôi nghĩ là duy nhất đối với thực vật và động vật.
Màng sinh học, cáckhối nhầy nhụa của các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm, từ lâu được cho là đơn giản về mặt sinh học, với không nhiều hơn một mức độ nguyên thủy của tổ chức cấu trúc. Điều này tương phản với nhiều sinh vật đa bào, bao gồm cả động vật, trong đó các tế bào có thể phát triển thành các dạng khác nhau tại các thời điểm và địa điểm khác nhau trong quá trình phát triển của cơ thể để tạo ra các cấu trúc sinh học phức tạp và đa dạng.
Bây giờ, Gürol Süel tại Đại học California, San Diego và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra rằng màng sinh học vi khuẩn ít đơn giản hơn chúng ta nghĩ. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng màng sinh học tạo thành các cấu trúc giống như vòng khi chúng phát triển và tiêu thụ các chất dinh dưỡng trong môi trường của chúng. Khi nguồn cung cấp chất dinh dưỡng giảm đi, một số tế bào nhất định về cơ bản trở nên đông lạnh theo thời gian về cách chúng hoạt động, khi một làn sóng cạn kiệt chất dinh dưỡng rửa qua chúng. Điều này được gọi là "đồng hồ và mặt gió", và trước đây chỉ được nhìn thấy ở động vật và thực vật.
Süel và các đồng nghiệp của ông đã thực hiện khám phá này trong một thí nghiệm để khám phá phản ứng của màng sinh học Bacillus subtilis khi bị bỏ đói nitơ quan trọng. Điều này thường làm cho các tế bào vi khuẩn thay đổi và trở nên đàn hồi hơn trong một sự thích nghi được gọi là sporulation.
Nhưng thay vì tất cả các tế bào trong màng sinh học thích nghi theo cùng một cách, các nhà nghiên cứu có thể chứng minh rằng các gen giảm căng thẳng được tạo ra bởi màng sinh học chỉ khiến một số tế bào thích nghi, tạo ra các vòng đồng tâm thông qua màng sinh học tròn. Cấu trúc giống như vòng cây này phù hợp với cơ chế "đồng hồ và mặt sóng" (xem hình, ở trên).
"Nếu chúng ta chỉ nghĩ về [màng sinh học] như những tế bào vi khuẩn, ngay cả khi chúng đến từ một loài, chúng ta đã nhầm", Süel nói. "Họ có tổ chức cao, và họ được tổ chức một cách rất tầm thường. Tổ chức này dường như gợi nhớ đến những gì động vật có xương sống và thực vật đã làm trong quá trình phát triển, vì vậy phải có một kết nối ở đó."
Mặc dù nghiên cứu chỉ tập trung vào việc quan sát các mô hình, Süel đề xuất rằng mô hình hóa có thể là màng sinh học đa dạng hóa các tế bào đàn hồi của nó để cố gắng tăng cơ hội sống sót.
Trong khi màng sinh học đã được chứng minh là phức tạp hơn trong những năm gần đây, có khả năng hình thành các hình thức bộ nhớ và giao tiếp đường dài, việc phát hiện ra các cấu trúc phức tạp có thể thách thức sự phân chia giả định giữa các sinh vật đơn giản, đơn bào và các sinh vật phức tạp, đa bào.
"Cuộc tranh luận đó sẽ được khơi dậy bởi nghiên cứu này", Tanmay Bharat tại Đại học Oxford nói. "Từ góc độ sinh học tế bào tiến hóa, sẽ rất thú vị khi nghiên cứu sự khác biệt nằm ở đâu. Điều gì định nghĩa một sinh vật đa bào thực sự?"
Màng sinh học cũng chịu trách nhiệm cho một loạt các hiện tượng tự nhiên, cả tốt và xấu. Chúng có thể được sử dụng trong lọc nước và để ngăn ngừa ăn mòn, nhưng chúng cũng là nguyên nhân hàng đầu gây nhiễm trùng lâm sàng, cũng như ăn mòn cao trong một số tình huống. Hiểu được cấu trúc cơ bản thực sự của các màng vi khuẩn này có thể thay đổi cách chúng được sử dụng và giảm thiểu.
"Bạn không thể chỉ giả định rằng một cách tiếp cận hoặc một tác nhân hóa học là đủ để thực hiện công việc, bởi vì màng sinh học là một cộng đồng phức tạp", Süel nói.
Journal reference: Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2021.12.001
LIFE 6 January 2022
