Bacteriile au descoperit o strategie surprinzătoare pentru a scăpa de virusurile care le vânează

Atunci când ne gândim la bacterii, le asociem adesea cu microorganisme capabile să provoace infecții, să contamineze alimente sau să se răspândească în mediul înconjurător. Mai rar ne imaginăm că și aceste organisme microscopice trebuie să supraviețuiască într-o lume plină de amenințări.

Una dintre cele mai importante este reprezentată de bacteriofagi, virusuri care infectează exclusiv bacteriile. Aceștia sunt printre cele mai numeroase forme biologice de pe planetă și se întâlnesc în aproape toate mediile în care există populații bacteriene: în sol, în ape, în sedimente și în interiorul organismelor vii.

Bacteriofagii se atașează de celulele bacteriene și își introduc materialul genetic în interiorul acestora. Folosind mecanismele celulei-gazdă, virusurile produc noi particule virale, iar în cazul multor bacteriofagi, multiplicarea se încheie prin distrugerea bacteriei infectate și eliberarea unei noi generații de virusuri.

În anumite medii, bacteriofagii pot fi de până la o sută de ori mai numeroși decât bacteriile pe care le infectează. Cu toate acestea, populațiile bacteriene nu dispar. Dimpotrivă, continuă să se dezvolte și să ocupe noi teritorii.

Cum reușesc să supraviețuiască într-un asemenea mediu? Un studiu coordonat de profesorul Sujit Datta, de la California Institute of Technology (Caltech), oferă un răspuns surprinzător. Bacteriile pot folosi un mecanism pe care îl cunoaștem deja, chimiotaxia, pentru a se îndepărta colectiv de virusurile care le atacă.

Chimiotaxia permite bacteriilor să găsească hrana

Chimiotaxia reprezintă capacitatea microorganismelor de a-și orienta deplasarea în funcție de substanțele chimice din mediul înconjurător. Pentru bacterii, acest mecanism este esențial. Ele pot identifica diferențele de concentrație ale anumitor substanțe și se pot deplasa către zonele în care găsesc mai mulți nutrienți. În același timp, pot evita anumite substanțe care le sunt nefavorabile.

Un exemplu bine studiat este bacteria Escherichia coli, prezentă în mod natural în intestinul uman. Aceasta poate detecta substanțe nutritive precum zaharurile și anumiți aminoacizi, orientându-și deplasarea către zonele în care acestea sunt mai abundente.

Cercetătorii din laboratorul lui Sujit Datta studiază de mai mult timp acest comportament. În experimentele lor, au observat că bacteriile nu se deplasează întotdeauna individual, fiecare celulă urmându-și propriul traseu. Atunci când se află într-o populație suficient de densă și au la dispoziție nutrienți, ele pot forma adevărate fronturi de deplasare colectivă.

Profesorul Datta compară aceste grupuri cu plutonul cicliștilor dintr-o cursă de ciclism: bacteriile înaintează împreună, formând benzi compacte care se deplasează într-o anumită direcție.

Până la acest studiu, chimiotaxia era cunoscută în special pentru rolul său în găsirea hranei și explorarea mediului. Echipa de la Caltech a vrut să afle dacă același mecanism ar putea ajuta bacteriile să supraviețuiască și în prezența bacteriofagilor.

Un labirint microscopic în care bacteriile trebuie să scape de virusuri

Pentru a răspunde la această întrebare, cercetătorii au construit un sistem experimental care reproduce, într-o formă simplificată, structura habitatelor naturale ale bacteriilor.

În natură, microorganismele nu trăiesc întotdeauna într-un mediu lichid omogen, în care se pot deplasa liber în toate direcțiile. Solul, țesuturile biologice și mucusul sunt medii complexe, poroase, alcătuite dintr-o rețea de spații și canale microscopice.

Observarea directă a deplasării bacteriilor în asemenea medii este dificilă. De aceea, echipa a construit un fel de „furnicar” transparent pentru bacterii. Sistemul experimental consta într-un tub de sticlă umplut cu mici particule de hidrogel, de câteva ori mai mari decât o bacterie E. coli. Așezate compact, aceste particule formau o structură solidă, dar între ele rămâneau numeroase canale microscopice umplute cu apă.

Bacteriile trebuiau să înoate prin această rețea de canale, asemănătoare spațiilor pe care le-ar întâlni în sol sau în anumite țesuturi ale organismelor vii. Pentru a le putea urmări, cercetătorii au utilizat bacterii modificate genetic, care emiteau fluorescență verde atunci când erau iluminate corespunzător.

În acest peisaj microscopic au fost introduși și bacteriofagi, transformând mediul într-un adevărat câmp minat pentru bacterii. Rezultatul inițial părea să confirme că virusurile aveau toate șansele să câștige. Bacteriile nu se deplasau, iar cercetătorii au avut impresia că infecția le-a învins. Însă experimentul avea să ofere o surpriză.

Bacteriile așteaptă, apoi pornesc împreună la drum

După câteva ore, bacteriile au început să se deplaseze. S-a format un front compact de celule care a pornit în direcția sursei de hrană, comportându-se asemănător grupurilor observate în experimentele anterioare, realizate în absența virusurilor.

Un detaliu important a fost că timpul de așteptare depindea de concentrația bacteriofagilor. Cu cât cercetătorii introduceau mai mulți virusuri în mediul experimental, cu atât bacteriile aveau nevoie de mai mult timp înainte de a începe deplasarea. În unele cazuri, așteptarea ajungea la aproximativ 15 ore.

De ce se întâmpla acest lucru? Explicația nu era aceea că bacteriile detectau virusurile și încercau să evite zona contaminată. Potrivit profesorului Datta, bacteriile nu au capacitatea de a simți direct prezența acestor prădători, iar comportamentul lor era similar indiferent dacă bacteriofagii se aflau sau nu în mediu.

Adevărata explicație era legată de dimensiunea populației. La începutul experimentului, bacteriile consumau nutrienți și se multiplicau. În același timp, bacteriofagii infectau și distrugeau o parte dintre celule. Astfel, creșterea populației era încetinită, deoarece multiplicarea bacteriilor supraviețuitoare compensa cu dificultate pierderile provocate de infecții.

Pentru ca deplasarea colectivă să înceapă, era nevoie ca populația să atingă o anumită densitate. Abia atunci bacteriile puteau forma fronturile compacte caracteristice chimiotaxiei colective. Prin urmare, întârzierea nu reprezenta o reacție conștientă de evitare a virusurilor, ci timpul necesar populației pentru a se reface și a ajunge la densitatea potrivită.

Cum reușește grupul de bacterii să lase virusurile în urmă

Odată format, frontul bacterian începe să se deplaseze către sursa de hrană. Aici intervine mecanismul care face posibilă evadarea. Bacteriile din partea din față a grupului întâlnesc o concentrație mai mare de nutrienți decât cele aflate în spate. Acest lucru se întâmplă deoarece microorganismele consumă substanțele nutritive pe măsură ce înaintează, lăsând în urma lor o zonă cu mai puțină hrană.

Se formează astfel un gradient chimic: concentrația nutrienților este mai mică în spatele grupului și mai mare în fața acestuia. Celulele aflate în partea din față detectează această diferență și își orientează deplasarea către zona mai bogată în hrană. În felul acesta, întregul front bacterian continuă să înainteze.

Bacteriofagii nu pot ține pasul cu această deplasare colectivă. Spre deosebire de bacterii, care se pot deplasa activ prin canalele microscopice, virusurile nu înoată în mod independent. Ele sunt transportate pasiv de mișcările mediului sau se răspândesc aleatoriu prin difuzie. Prin urmare, în timp ce bacteriile înaintează organizat către nutrienți, bacteriofagii rămân în urmă, fără să poată urmări eficient grupul.

Acest lucru nu înseamnă că toate bacteriile supraviețuiesc. Cercetătorii au observat resturi de celule infectate în partea din spate a frontului bacterian. Mai mult, fiecare bacterie care se sparge în urma unei infecții poate elibera aproximativ 90 de noi particule virale.

Cu toate acestea, răspândirea aleatorie a virusurilor nu este suficientă pentru a ajunge din urmă populația bacteriană care se deplasează organizat. Astfel, bacteriile reușesc să evadeze chiar și atunci când concentrația bacteriofagilor este suficient de mare pentru a le amenința grav supraviețuirea.

O strategie de supraviețuire care nu necesită rezistență genetică

Poate cea mai interesantă descoperire a studiului este faptul că bacteriile au reușit să evite bacteriofagii fără să fie nevoie să dezvolte rezistență genetică împotriva acestora.

În mod obișnuit, atunci când vorbim despre supraviețuirea bacteriilor în fața unui agent care le atacă, ne gândim la selecția naturală. Unele bacterii prezintă mutații sau caracteristici genetice care le permit să reziste infecției. Acestea supraviețuiesc și se multiplică, iar în timp populația poate deveni mai rezistentă.

În cazul experimentului de la Caltech, mecanismul observat este diferit. Bacteriile nu au nevoie să devină genetic rezistente la virusuri pentru a evita o parte dintre infecții. Ele își folosesc capacitatea naturală de deplasare colectivă pentru a părăsi zona în care se află prădătorii.

Pentru a înțelege mai bine acest fenomen, cercetătorii au dezvoltat și un model matematic care permite estimarea timpului necesar unei populații bacteriene pentru a scăpa de bacteriofagi. Modelul ia în calcul concentrația virusurilor și condițiile de mediu.

Studiul, coordonat de Victoria Muir, fostă cercetătoare postdoctorală în laboratorul lui Datta și în prezent profesor asistent la Universitatea din Delaware, a fost realizată împreună cu Alejandro Martínez-Calvo și Ned S. Wingreen de la Universitatea Princeton. Rezultatele au fost publicate în revista științifică Science Advances, într-un material intitulat „Death & Chemotaxis: Bacterial chemotaxis enables collective escape from phage predation”.

Descoperirea schimbă perspectiva asupra rolului chimiotaxiei. Aceasta nu mai poate fi privită doar ca un mecanism prin care bacteriile găsesc hrană și explorează mediul, ci și ca o posibilă strategie colectivă de evitare a prădătorilor.

Ce ne învață această descoperire despre viața microscopică

Studiul de la Caltech scoate în evidență un principiu întâlnit frecvent în natură: uneori, supraviețuirea unui organism depinde nu doar de capacitățile sale individuale, ci și de comportamentul întregii populații. O bacterie izolată poate fi vulnerabilă în fața unui bacteriofag. O populație suficient de numeroasă, capabilă să se deplaseze coordonat, poate însă să părăsească zona periculoasă și să găsească noi resurse.

Este important de precizat că experimentul nu demonstrează că toate bacteriile folosesc această strategie sau că deplasarea colectivă le protejează în orice condiții. Experimentul a fost realizat cu Escherichia coli, într-un sistem experimental controlat, conceput pentru a reproduce anumite caracteristici ale habitatelor naturale.

Totuși, rezultatele deschid noi direcții de cercetare privind interacțiunile dintre bacterii și bacteriofagi în sol, în mediile acvatice și în interiorul organismelor vii. Înțelegerea acestor mecanisme ar putea contribui inclusiv la o mai bună înțelegere a modului în care populațiile microbiene se organizează și persistă în medii complexe.

În lumea microscopică, supraviețuirea nu înseamnă întotdeauna să devii mai puternic decât adversarul. Uneori, este suficient să te miști în direcția potrivită, împreună cu ceilalți, înainte ca acesta să te poată ajunge. Iar bacteriile ne oferă încă o lecție surprinzătoare despre puterea comportamentului colectiv.