Nadar ou não nadar durante a fome

1. A motilidade é cara!

“Os ricos são diferentes de nós”.
“Sim, eles têm mais dinheiro”.¹

Eu sempre fui fascinado por como quantitativo diferenças podem trazer qualitativo distinções. Na biologia, existem muitos exemplos disso. Portanto, sou um grande admirador do livro “Biologia celular pelos números”E o associado Bionumber Database. Durante o início do meu pós -doutorado, eu estava tocando com os números pelo custo metabólico da motilidade bacteriana, para ver como isso guiaria sua decisão de nadar ou não. O problema period que muitos trabalhos relataram o custo em diferentes unidades. Portanto, comecei a expressá -lo em termos de ATP por segundo, que um dos meus professores descrito como “a nota de 20 dólares em biologia” (a energia livre liberada é cerca de 20 vezes o nível de energia da linha de base definido por ruído térmico, “KT” uma escala de energia basic equivalente a 4,10^-21 J). Embora nem todos os processos sejam direcionados diretamente pelo ATP, acho uma moeda útil para quantificar os requisitos de energia.

Quanto custa a motilidade? Depende, é claro, da rapidez com que as bactérias nadam: muitas bactérias nadam a cerca de 20 μm/s, o que corresponde a cerca de 10.000 ATP/s. Muitas bactérias marinhas nadam mais rápido: a 60 μm/, exigindo 100.000 ATP/s. Isso é muito? Bem, isso depende. Uma célula bacteriana requer 20 bilhões (20.000.000.000 de ATP) para dobrar sua biomassa e dividir (Bioid 114702). Se uma célula se dividir em 40 minutos, são quase 10 milhões de ATP/s. Comparado a isso, a motilidade compreende 0,1% marginal do metabolismo celular (ou 1% se eles estão nadando rapidamente). Pensando sobre esses números, percebi que, durante a fome, isso seria completamente diferente. A maioria das estimativas de energia de manutenção celular, a energia dissipada por células sem crescimento, é de cerca de 10.000 ATP/s². Então, quando uma bactéria nada, mesmo em velocidades moderadas, torna -se uma das coisas mais caras que uma célula pode fazer! ³

Mas as vantagens potenciais durante a fome também são grandes. Quando não há comida suficiente ao seu redor, faz sentido começar a procurar mais. Se uma bactéria não se mover ativamente, ela se difunde, mas isso é realmente lento (tem um coeficiente de difusão de cerca de 10^-8 cm²/s). Uma bactéria móvel realiza uma caminhada aleatória, que também pode ser descrita por difusão, mas com um coeficiente de difusão de 100 a 1000 vezes mais: trazer o tempo médio de pesquisa de um ano para um dia. Portanto, em ambientes fortemente heterogêneos, como o oceano, com pontos de acesso ricos em nutrientes cercados por águas pobres de nutrientes, é muito caro, mas, se uma pesquisa for bem-sucedida, altamente gratificante por ser móvel. Nasceu uma troca de recompensa de risco! Começamos a nos perguntar como isso aconteceria na natureza.

2. Comportamento fortemente divergente entre parentes

No laboratório, tínhamos uma coleção de muitas bactérias marinhas, das quais sabíamos que alguns eram móveis e que não gostavam de nadar (mesmo que tivessem genes de motilidade). Na literatura, parecia haver um amplo consenso de que a fome atrapalha a motilidade, embora houvesse relatos de bactérias continuando a nadar durante a fome. Até que extenso foram essas diferenças devido a diferenças nos experimentos, como as condições de fome ou o método de quantificar a motilidade? Havia apenas uma maneira de descobrir. Isso começou como um projeto de graduação (de Lisa Moor, que fez um ótimo trabalho) com muitas restrições no meio da pandemia da Covid que limitou o uso de laboratório. Descobrimos rapidamente que, quando as fome, espécies intimamente relacionadas se comportavam de maneira muito diferente. Quando faminto, algumas espécies nadavam, outras não. Aqui está um vídeo de uma tensão com um exemplo – duas espécies bacterianas famintas por cerca de um dia, com uma sem nenhuma célula de natação (à esquerda) e outra com muitas células de natação (direita):

https://www.youtube.com/watch?v=n2Wl6rcBAFS

Durante o meu doutorado, todo o meu trabalho foi realizado em uma única cepa de uma única espécie, E. coli RP437. Eu sempre me perguntei como se pode dizer qualquer coisa sobre a natureza depois de trabalhar em uma única tensão bacteriana (para não dizer que os organismos modelo não têm seu uso!). Então, eu realmente me perguntei se poderíamos explorar esse comportamento em nossa coleção de tensão. Nós estabelecemos 26 tensões de 18 espécies diferentes. Eu esperava encontrar um continuum, mas, em vez disso, vimos que os comportamentos divergentes eram bastante gerais: eles deixariam a motilidade rapidamente, imediatamente quando o protocolo de lavagem foi concluído, ou eles nadariam felizes por vários dias.

3. O que há em um nome?

Portanto, parecia haver duas soluções fundamentalmente diferentes para o trade-off de recompensa de risco. Continua pesquisando, ou pare e conserva recursos. Percebemos que period muito mais fácil falar sobre esses dois comportamentos diferentes, se houvesse um nome. Este foi um processo divertido, mas lento. Pedi sugestões de chatgtp, mas elas eram difíceis de pronunciar. Por um tempo, considerei chamá -los de “retenção” e “renunciar” a cepas. “Persistres” teriam sido perfeitos, mas essa palavra já foi reivindicada para um comportamento diferente no contexto de sensibilidade aos antibióticos. Então, atingindo os limites do vocabulário inglês, tivemos que recorrer a outro idioma. Na física e matemática, existem algumas palavras alemãs que permanecem em uso (‘eigenvector’, ‘Ansatz’), mas é claro que em biologia se transforma em grego. Então, procurei um dicionário on-line para o grego antigo e encontrei λιμός (‘Limos’) para a fome, πλοῦς (‘Plous’) para nadar e ναφόρος (‘naphoros’) para se mover. Depois de refletir sobre as possibilidades, um momento de efifania: ‘Limostático’ me atingiu, basicamente combinando limusines (fome) e estático (conhecido em inglês, mas também de origem grega). Então a outra estratégia parecia direta: ‘limocinética’. (Eu notei, algumas pessoas escrevendo a classificação para bactérias marinhas como limnokinéticas, pois ‘Limno’ significa lagos. Não acho que a salinidade defina nossos resultados, então nem nada errado!)

4 Bactérias como marcadores de maratona

Inicialmente, pensei que as células que estavam nadando durante a fome, as cepas limocinéticas, deveriam morrer mais rápido, mas depois de muito revestimento e contagem de colônias e contagem de células com citometria de fluxo, ficou claro que as bactérias não estavam realmente morrendo em massadestruindo minha hipótese intitial. Então, durante um experimento diferente, notei que a densidade óptica de uma população de natação estava diminuindo. Obviamente, a densidade óptica é usada como proxy para a biomassa. Embora eu não tivesse completamente certo de que isso period proporcional, a diferença qualitativa para mim foi impressionante: o OD de culturas que nadavam diminuíram todos os dias com cerca de 9% da biomassa inicial, enquanto o OD das culturas que cessaram Motiliy basicamente permaneceu constante.

Isso fez muito sentido em retrospectiva: para os heterotróficos, a única energia acessível nessa população é a energia química disponível no carbono, e o único carbono é basicamente armazenado na população, na forma de biomassa. (Sabe -se que alguns heterotróficos são capazes de colher luz usando rodopsinas, um método diferente em comparação com a fotossíntese, mas isso não desempenha um papel aqui, ou pelo menos não na comunidade que testamos). Com o número de células não diminuindo, isso sugeriu que a biomassa de célula única deve cair: as células de natação estão sacrificando uma parte de sua biomassa para continuar se movendo. Como corredores de maratona.

Por algum tempo, fiquei orgulhoso desse projeto porque period o mais de baixa tecnologia. No meu doutorado, eu acreditava que o avanço da ciência só poderia ser alcançado através da inovação tecnológica. A inovação e os novos instrumentos definitivamente têm seu lugar, mas os pesquisadores devem se considerar mais do que animais de circo que realizam novos truques maravilhosos. De qualquer forma, meu orgulho estava prestes a ser quebrado. Dieter Baumgartner, um aluno de doutorado no laboratório, estava trabalhando para medir a massa de bactérias únicas usando Microscopia holográficauma técnica avançada de microscopia. Ele veio ao meu escritório, começamos a conversar e propôs medir a massa diretamente. Com relutância, concordei, porque sabia que o projeto não seria mais de baixa tecnologia, mas agora considero o resultado a evidência mais forte: a tensão de natação perdida em média 11 FG/dia em carbono, enquanto a biomassa da tensão que desistiu da motilidade permaneceu quase constante.

Figura: Distribuição de biomassa de célula única de uma tensão que para de nadar quando faminta (Vibrio Cyclitrophicuslaranja) ou continua nadando quando faminto (Vibrio coralliilyticusazul).

4. As bactérias móveis contribuem para o fluxo de carbono no oceano

Acontece que esse comportamento móvel é bastante importante no oceano, pois as bactérias desempenham um grande papel no controle de fluxos de carbono nos mares e oceanos. Produtores primários, como o fitoplâncton, corrigem continuamente₂ em biomassa, alimentando a teia alimentar marinha. Essa biomassa começa a afundar, criando um fluxo de carbono vertical de detritos chamados partículas marinhas. Quando atinge o inside do oceano, ele pode permanecer armazenado por centenas a milhares de anos, sequestrando efetivamente o carbono da atmosfera e armazenando -o no oceano:

No entanto, apenas uma pequena fração do carbono que começa a afundar chega ao fundo do oceano. Para as bactérias marinhas, essas partículas formam pontos de acesso ricos em nutrientes que podem degradar e, assim, liberar o carbono armazenado de volta à atmosfera, atuando efetivamente como guardiões do armazenamento de carbono. Como essas partículas são diluídas, é um desafio para as bactérias encontrá -las e, portanto, entender esse processo claramente não depende apenas das adaptações biológicas à vida de tais partículas, mas também do desafio em encontrar essas partículas. A motilidade é uma ótima maneira de melhorar o achado de tais partículas, mas as concentrações de nutrientes fora dessas partículas são tão baixas que as bactérias móveis (existem muitas bactérias fora dos pontos de acesso, mas essas bactérias são adaptadas à vida fora das partículas). Portanto, é importante entender em quais condições as bactérias estão móveis e se podem continuar procurando partículas, mesmo que o ambiente não forneça energia de fundo suficiente para continuar nadando.

6. Usando previsões genômicas para conectar o laboratório ao campo.

Uma maneira de generalizar previsões de um laboratório para o meio ambiente, no nosso caso, o oceano é fazer um classificador genético. Eu não tinha idéia de bioinformática, mas felizmente havia pessoas que estavam dispostas a ajudar nisso. Zach Landry usou classificadores de aprendizado de máquina para encontrar um conjunto de genes que poderiam separar os dois grupos com quase 90% de precisão, e fomos capazes de prever o resultado de cepas que não usamos para treinar com cerca de 85% de precisão. Eu certamente não tomo esse resultado como garantido. Havia muitas razões pelas quais isso pode não ter funcionado!

Um classificador genômico nos permite fazer previsões no campo, com base em um conjunto limitado de observações no laboratório. Algumas das cepas utilizadas em nosso estudo foram isoladas da mesma área, indicando que essas estratégias podem coexistir nos mesmos ambientes. Mas certamente fatores ambientais podem influenciar qual estratégia é mais favorável quando e onde. O classificador prevê que, em geral, no oceano, a estratégia limocinética domina. No entanto, parece haver áreas em que a estratégia limostática domina. Mal podemos esperar para testar essas previsões no campo!

7. Conclusão

Com a diversidade assustadora da vida microbiana, é gratificante tropeçar em alguma simplicidade por trás disso. Essa descoberta foi uma ótima jornada e agradeço a todos os meus co-autores por suas contribuições inestimáveis ​​(houve muitas outras contribuições importantes que eu não pude destacar aqui por razões de comprimento). Também sou grato por todas as idéias que obtive de pessoas que fazem uma pergunta em um pôster ou apresentação do seminário!

Notas de rodapé

1) Pego emprestado este exemplo do artigo seminal de PW Anderson “Mais é diferente“(Ciência1972).

2) Uma boa fonte é Biselli et al. MSB 2020. É dado como 0,61 mmol ATP/h/g, presumo que um peso seco de 150 fg por célula. Pode ser ~ 2 vezes mais alto ou menor, dependendo da taxa de crescimento antes da fome.

3) Para mais números e referências, consulte nossa revisão “Os papéis ecológicos da quimiotaxia” (Nat. Rev. Microb.2022)

Crédito da imagem para Banner Image: Sophie Zweifel e Pallavi Keshri, Eth Zurique