Здавалося б, що за той час, що люди вивчають бактерії, ці мікроорганізми відкрили вченим всі свої секрети - адже не так багато можна приховати під об'єктивом мікроскопа. До останнього часу бактерії сприймалися як прості, примітивні створіння, які проводять одноманітне, нудне життя. На думку французького генетика Франсуа Жакоба (Fran?ois Jacob) єдиною метою існування бактерії - це спродукувати собі подібну. Однак дослідження останніх років доводять, що життя бактерій набагато більш насичене. Вони спілкуються одна з одною, «займаються сексом» і навіть об'єднуються в групи і гуртуються проти нас, людей.
Перше відкриття в області соціального життя бактерій було зроблено на початку 60-х років минулого століття і стосувалося колонії світних бактерії Vibrio fischeri. Ці бактерії поселяються на тілі кальмарів, що живуть на мілинах навколо Гавайських островів. Протягом спекотного дня кальмар відпочиває, зарившись у пісок морського дна, а вночі відправляється на полювання. У місячному світлі темне тіло кальмара стає помітним для хижаків, проте бактерії, що покривають шкіру кальмара, продукують блакитнувате світіння, схоже на місячне світло. Це свого роду маскування.
Мікробіолог Вудланд Хастінгс (Woodland Hastings) помітив дивну річ. Колонія Vibrio fischeri в стінах лабораторії подвоювала свою чисельність кожні двадцять хвилин, проте кількість світильного пігменту - люциферази - залишалася на заданому рівні протягом багатьох годин. Таким чином, інтенсивність світіння не залежить від чисельності. Тільки коли колонія бактерій занадто розросталася, кількість люциферази починала слабко рости.
Як же бактерії знали, скільки пігменту виробляти? Вченому стало очевидно, що бактерії в змозі оцінити кількість членів колонії і діяти виходячи з цього. Це вміння бактерій діяти колективно було названо «відчуттям кворуму» (quorum sensing). Доктор Хастінгс недооцінив своє відкриття, вважаючи, що «відчуття кворуму» властиве тільки морським бактеріям, можливо тільки Vibrio fischeri. Студент Хастингса Кеннет Нілсон (Kenneth Nealson) кілька разів намагався опублікувати роботу у наукових виданнях з мікробіології, де писав про комунікацію між бактеріями Vibrio fischeri. У публікаціях йому відмовляли, оскільки вважалося, що бактерії не соціальні.
Проте сьогодні вивчення світу бактерій не обходиться без досліджень в області міжклітинної комунікації, а поняття «відчуття кворуму» стало одним з основних понять сучасної мікробіології.
Так, для бактерії Pseudomonas aeruginosa (синьогнійна паличка), що викликає інфекційні захворювання людини, була показана здатність об'єднуватися в співтовариства - біоплівки. В організмі людини бактерії піддаються атакам клітин імунної системи - лейкоцитів. Виявивши наближення лейкоциту, бактерія посилає попереджувальний сигнал родичам і вони разом починають виробляти більше рамноліпідів, які прикріплюються до поверхні біоплівки і руйнують лейкоцити. У результаті колонія виявляється захищеною.
Цей же феномен лежить в основі стійкості бактерій до антибіотиків, а також в основі патогенезу смертельних бактеріальних захворювань. Так, стафілокок (Staphylococcus aureus) атакує організм не відразу, адже виробництво токсину всього декількома клітинами викличе сильну імунну відповідь. Очевидно, що є сенс почекати, поки чисельність бактерій значно зросте і тоді почати атаку. У такій ситуації імунітет людини виявляється нездатним придушити бактеріальний натиск і розвиваються небезпечні інфекційні захворювання шкіри, м'яких тканин, кісток і суглобів.
Відкриття бактеріальної комунікації дозволило переглянути не тільки основи мікробіології, а й погляди на еволюцію життя. Якщо враховувати, що бактерії були першими істотами, які заселили Землю, стає зрозуміло, що соціальна комунікація зовсім не виникає в ході еволюції живих істот на пізніх стадіях, вона послужила фундаментом успішного розвитку життя на нашій планеті.
Міжклітинна сигналізація у бактерій сьогодні служить предметом пильних досліджень, адже якщо навчитися розуміти «мову» бактерій, то стане можливим приборкання багатьох захворювань. Для обміну новими знаннями регулярно проходить спеціалізована конференція з міжклітинної сигналізації бактерій.
Сигнальними молекулами у бактерій служать хімічні речовини. По суті, така сигналізація становить прототип феромонів у людини.
Професори молекулярної біології Бонні Басслер (Bonnie Bassler) серед світових лідерів в області бактеріальної комунікації. Вона вивчає комунікацію збудника холери (Vibrio cholerae). У дикій природі холерний вібріон зустрічається у водоймах, та шлунково-кишковий тракт людини надає альтернативне комфортне середовище проживання.
Кожна бактеріальна клітина продукує сигнальні молекули - аутоіндуктори (CAI-1 і AI-2). Рецептори на поверхні бактеріальних клітин здатні сприймати присутність аутоіндукторів. При малій щільності популяції аутоіндукторів недостатньо і, як результат, активність особливого гена hapR низька. Такий стан дозволяє холері активно нарощувати популяцію і формувати біофільм (біоплівку). При високій чисельності клітин концентрація аутоіндукторів збільшується, що підсилює експресію hapR гена і приводить до формування ферменту - гемаглютинін протеази. Цей фермент допомагає окремим клітинам вийти з біоплівки: вони можуть легко покинути організм і людина стає рознощиком зарази.
Цікаво, що навіть всередині популяції бактеріальних клітин існують окремі індивідууми, які «люблять халяву». Такі клітини входять до складу співтовариств, тому користуються всіма привілеями, проте самі не вносять свою лепту у спільну справу. Мікробіолог Мартін Шустер (Martin Schuster) з Університету штату Орегон (Oregon State University) продемонстрував, що присутність у популяції «халявщиків» може виявитися справжньою трагедією. Для успішного розвитку і комунікації бактерій Pseudomonas aeruginosa необхідне живильне середовище, насичена вуглецем. Після розвитку сотні поколінь бактерій серед них виділяється група «любителів халяви», які не реагують на звичні зовнішні сигнали. У серії окремих експериментів із збільшенням чисельності «халтурників» спостерігалося уповільнення зростання популяції бактерій. Очевидно в дикій природі існують особливі механізми, які дозволяють контролювати розмноження «халтурників» і таким чином захищати популяцію в цілому.
Комунікація у бактерій є багатогранною. Вона настільки ж складна, як і взаємовідносини між державами. Один з найбільш цікавих і унікальних прикладів - це симбіоз корисних бактерій в роті людини з патогенами, які викликають неприємний запах і карієс. Мікрофлора порожнини рота людини налічує до п'ятисот видів бактерій. Розвиток цілих поколінь цих бактерій визначається частотою щоденних гігієнічних процедур порожнини рота. При цьому кожен член цього співтовариство повинен вміти відрізняти «своїх» від «чужих», щоб зрозуміти, які біологічні сигнали виходять від «союзних» бактерій, а які не мають значення і їх можна ігнорувати. Як спільнота, кожен вид бактерій повинен визначати свою чисельність і реагувати на змінні зовнішні чинники. Якщо встановлений баланс порушується, це призводить до розвитку хвороб порожнини рота.
Інтригуючі результати продемонструвала група вчених з Бірмінгемського університету (University of Birmingham). Ян Крефт (Jan Kreft) і його колеги за допомогою математичної моделі показали, що концентрація речовин-аутоіндукторів неоднакова в популяції бактерій. Існують бактеріальні кластери, які оточені більш високою концентрацією аутоіндукторів, порівняно із сусідніми клітинами. Мікробіолог Стів Дігл (Steve Diggle) успішно розвинув цю ідею, показавши, що бактерії, розташовані по сусідству, найчастіше мають спільного прабатька, тому є родичами, членами однієї сім'ї. Виявилося, що родинні клітини мають схожий поріг чутливості до аутоіндукторів, який відрізняється від інших сімей. Таким чином, сім'я бактерій може буквально «пропускати повз вуха» те, про що говорять сусіди.
До останнього часу секс вважався привілеєм високоорганізованих істот, у той час як бактерії, як передбачалося, розмножувалися тільки простим поділом на дві частини, на дві нові клітини. Нобелівський лауреат Едвард Тейт (Edward Tatum) з Єльського університету (Yale University), показав, що бактерії теж можуть «кохатися». Щоправда, трапляється це тільки при потребі. Так, лінія бактерій кишкової палички (Escherichia coli), що живе в нормі в кишечнику людини, була піддана дії рентгенівських променів. Таке випромінювання руйнує ДНК і викликає мутації з тяжкими наслідками. У результаті вдалося виділити дві групи бактерій.
Одна з них не могла синтезувати необхідні для життєдіяльності вітаміни, у другої труднощі викликав синтез життєво важливих амінокислот. При змішуванні клітин з двох груп вдалося одержати абсолютно нормальні індивідууми. Виходить, що «дефектні» бактерії злилися, щоб ліквідувати мутації і запозичити здоровий генетичний матеріал один в одного. Це перенесення генів між рівноправними особинами отримав назву горизонтального переносу генів.
Горизонтальний перенос генів дозволяє бактеріям отримувати від інших груп бактерій і, можливо, багатоклітинних організмів еволюційні переваги. Дійсно, навіщо винаходити велосипед, якщо його можна просто запозичити? Систематичні дослідження в Батському університеті (University of Bath) показали, що приблизно 25 з 900 генів, відповідальних за обмін речовин у бактерії Escherichia coli, були додані за допомогою горизонтального переносу за останні сто мільйонів років.
Судячи з досліджень, ці гени були запозичені у досить близьких видів і допомогли Escherichia coli краще адаптуватися до соціального життя, ефективніше спілкуватися всередині популяції і виживати перед лицем небезпеки. Так, завдяки горизонтальному перенесенні генів бактерії можуть придбати стійкість до антибіотиків.
Вивчення соціального життя бактерій дозволяє вченим зрозуміти, як саме ці мікроорганізми протистоять негативному впливу навколишнього середовища і яким чином примудряються «переграти» сильнодіючі лікарські препарати. Цілком очевидно: щоб зробити їх слабкими і беззахисними, людині необхідно навчитися руйнувати зв'язки в цьому союзі шкідників.
