Ερευνητές στις ΗΠΑ ανέπτυξαν μικροβιακές καλλιέργειες που έχουν την ικανότητα να αντιλαμβάνονται τις μεταβολές του pH και να προσαρμόζονται άμεσα σε ακρίαες συνθήκες. Η ομάδα εντόπισε παρόμοιες μεταλλάξεις στη φύση, σε αναδυόμενα παθογόνα και συμβιωτές κοραλλιών – οργανισμούς που διαχειρίζονται δύσκολες μεταβολές του pH στο περιβάλλον τους και είναι δύσκολο να μελετηθούν.

Για να κατανοήσουν καλύτερα πώς τα βακτήρια προσαρμόζονται σε ακραίες συνθήκες, η μικροβιολόγος Σάρα Γουόρθαν από το Πανεπιστήμιο Vanderbilt στο Νάσβιλ και η ομάδα της, πραγματοποιησαν πειράματα με το βακτήριο Escherichia coli. Διαπίστωσαν πως ορισμένοι από τους πληθυσμούς βακτηρίων μπόρεσαν να αναπτύξουν γρήγορα γενετικές μεταλλάξεις που τους βοήθησαν να ευδοκιμήσουν. Οι καρκίνοι χρησιμοποιούν και αυτοί τις μεταλλάξεις που προκύπτουν, για να δημιουργήσουν ένα πιο ευνοϊκό περιβάλλον προκειμένου να αναπτυχθούν.

«Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι αυτές οι μεταλλάξεις μπορεί να χρησιμεύουν για τον γρήγορο συντονισμό πολύπλοκων φυσιολογικών αποκρίσεων μέσω της ανίχνευσης του pH και ρίχνουν φως στο πώς οι κυτταρικοί πληθυσμοί χρησιμοποιούν περιβαλλοντικές ενδείξεις για να συντονίζουν γρήγορες αποκρίσεις σε πολύπλοκα περιβάλλοντα», έγραψαν οι ερευνητές στη μελέτη τους.

Οι ερευνητές εξέθεσαν 16 πληθυσμούς E. coli σε περιόδους ακραίας πείνας, πριν τους μεταφέρουν σε ένα περιβάλλον πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά και επαναλάβουν τη διαδικασία. Καθώς τα μικρόβια λιμοκτονούσαν, συσσωρεύονταν μεταβολικά απόβλητα, προκαλώντας δραστικές αλλαγές στο περιβαλλοντικό τους pH. Στη συνέχεια, όταν τα βακτήρια έλαβαν θρεπτικά συστατικά, ανέπτυξαν μια μετάλλαξη, κατά την οποία ένα αμινοξύ, η αργινίνη, αντικαθίσταται με ιστιδίνη. Η μετάλλαξη αυτή εμφανίστηκε στην πρωτεΐνη Rho, η οποία εμπλέκεται στον τερματισμό της μεταγραφής RNA.

Μεταλλάξεις αργινίνης σε ιστιδίνη έχουν επίσης παρατηρηθεί σε καρκίνους και έχει αποδειχθεί ότι προσδίδουν προσαρμοστική ικανότητα ανίχνευσης του pH σε ογκογόνες πρωτεΐνες. Στα βακτήρια, αυτές οι μεταλλάξεις μπορούν να αντιληφθούν το pH και να μεταβάλουν τη δραστηριότητα της πρωτεΐνης Rho ώστε να επηρεάσουν γρήγορα τον τρόπο έκφρασης των γονιδίων.

«Αυτή η μετάλλαξη στη rho προέκυπτε επανειλημμένα στις εργαστηριακές μας καλλιέργειες», δήλωσε η μικροβιολόγος Μέγκαν Μπέρινγκερ από το Πανεπιστήμιο Vanderbilt.

«Μελετήσαμε τα γονιδιωματικά μας δεδομένα και παρατηρήσαμε ότι κάθε μετάλλαξη στη rho συνυπήρχε με μια μετάλλαξη σε ένα γονίδιο που ονομάζεται ‘ydcI’. Δεν γνωρίζουμε πολλά για αυτό το γονίδιο, αλλά πολύ πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι μπορεί να παίζει ρόλο στην ομοιόσταση του pH» εξήγησε.

Η φυσιολογική πρωτεΐνη Rho βοηθά τα βακτηριακά κύτταρα να επιβιώσουν σε συνθήκες αφθονίας, αλλά προκαλεί πρόβλημα όταν ο οργανισμός λιμοκτονεί. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το μεταλλαγμένο ydcI επέτρεπε στα κύτταρα να ανέχονται καλύτερα τις αλλαγές στην πρωτεΐνη Rho. Η μετάλλαξη ydcI φαίνεται να ανταποκρίνεται στις αλλαγές του pH, λειτουργώντας ως διακόπτης που ενεργοποιείται από τις αλλαγές στο περιβάλλον για να προκαλέσει αλλαγές μέσα στα μεμονωμένα κύτταρα.

«Παρόλο που τα βακτήρια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω του εξωκυτταρικού τους περιβάλλοντος, τα μεμονωμένα κύτταρα ελέγχουν το ενδοκυτταρικό τους περιβάλλον», δήλωσε η ομάδα.

Αυτά τα γονίδια συνεργάζονται για να επιτρέπουν στα κύτταρα να προσαρμόζονται πιο εύκολα στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η ομάδα βρήκε αρκετά παραδείγματα του ίδιου μηχανισμού στη φύση.

Τα αποτελέσματα της μελέτης καταδεικνύουν «τη δύναμη της πειραματικής εξέλιξης για τον εντοπισμό λειτουργικά σημαντικών μεταλλάξεων που σχετίζονται με το φυσικό περιβάλλον», έγραψαν οι ερευνητές στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση «PNAS».

ΠΗΓΗ: Science Alert