$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Bakterie glebowe są zazwyczaj wyposażone w elastyczne sieci regulacyjne i szerokie zdolności metaboliczne. Obie cechy umożliwiają komórkom dostosowanie swoich szlaków katabolicznych i anabolicznych do konkurowania z innymi mikroorganizmami i innymi mikroorganizmami o składniki odżywcze, które są dostępne w danej niszy ekologicznej1. Jeśli jednak bakterie nie są w stanie przystosować się do środowiska, za przetrwanie gatunku mogą odpowiadać inne mechanizmy. Rzeczywiście, ponieważ wiele bakterii rozmnaża się szybko, a populacje mogą osiągać wysokie zagęszczenie komórek, subpopulacje mogą spontanicznie gromadzić korzystne mutacje, które zapewniają komórkom selektywną przewagę wzrostu, a tym samym zwiększają ich przydatność. Co więcej, ogniska mutacji i mutageneza adaptacyjna wywołana stresem mogą ułatwiać ewolucję nieprzystosowanej bakterii2,3. Tak więc akumulacja mutacji i wzrost w wyniku ciągłej selekcji jest źródłem ogromnej różnorodności mikrobiologicznej, nawet w obrębie tego samego rodzaju4,5. Podobnie jak w naturze, kształtowanie genomów bakteryjnych zachodzi również w laboratorium ze względu na ciągłą hodowlę w ramach selekcji. Przykładem tego jest udomowienie bakterii Gram-dodatniej B. subtilis, która jest stosowana na całym świecie w badaniach podstawowych i w przemyśle. W latach czterdziestych XX wieku B. subtilis poddano działaniu niszczących DNA promieni rentgenowskich, a następnie wyhodowano w określonych warunkach wzrostu6. Mutacje, które nagromadziły się w bakteriach podczas ich udomowienia, odpowiadają za utratę wielu cech wzrostu, tj. szczep laboratoryjny B. subtilis 168 utracił zdolność do tworzenia złożonych kolonii7,8.
Obecnie, dla najlepiej zbadanych bakterii modelowych Escherichia coli i B. subtilis, dostępnych jest wiele potężnych narzędzi do genetycznego manipulowania ich genomami w celu rozwiązania konkretnych pytań naukowych. Czasami inaktywacja interesującego genu powoduje poważną wadę wzrostu, która jest wtedy wyraźnie widoczna na standardowej pożywcewzrostowej 9. Natomiast mutacje, które powodują słaby defekt wzrostu, a tym samym tylko nieznacznie wpływają na przydatność szczepu, są często ignorowane. Jednak w obu przypadkach przedłużona inkubacja i pasażowanie zmutowanych szczepów przez kilka pokoleń zwykle prowadzi do akumulacji mutantów supresorowych, które przywróciły fenotyp szczepu rodzicielskiego2,9. Charakterystyka mutantów supresorowych i identyfikacja mutacji, które przywróciły wadę wzrostu rodzicielskiego zmutowanego szczepu, jest bardzo pomocnym podejściem, które pozwala na wyjaśnienie ważnych i często nowych procesów komórkowych10,11.
Jesteśmy zainteresowani kontrolą homeostazy glutaminianu u B. subtilis12. Podobnie jak E. coli, B. subtilis reaguje na zaburzenie homeostazy glutaminianu (tj. blokuje degradację glutaminianu2) przez akumulację mutantów supresorowych. Wykazano, że zmiany genomowe w tych mutantach supresorowych, które zostały nabyte w wyniku spontanicznej mutacji, szybko przywracają homeostazę glutaminianu9,13. Dlatego nie jest zaskakujące, że adaptacja B. subtilis do określonych warunków wzrostu podczas udomowienia bakterii znajduje odzwierciedlenie w syntezie enzymów i w wyewoluowanych aktywnościach enzymatycznych, które są zaangażowane w metabolizm glutaminianu12. Zasugerowano, że brak egzogennego glutaminianu w pożywce wzrostowej podczas procesu udomowienia był siłą napędową powstania i utrwalenia się genu CR dehydrogenazy glutaminianu (GDH) w szczepie laboratoryjnym 1682,14. Hipoteza ta jest poparta naszą obserwacją, że zmniejszona ilość aktywności GDH w szczepie laboratoryjnym zapewnia bakteriom selektywną przewagę wzrostu, gdy egzogenny glutaminian jest rzadki2. Co więcej, hodowla szczepu B. subtilis, syntetyzującego GDH GudB, przy braku egzogennego glutaminianu powoduje akumulację mutantów supresorowych, które inaktywowały gen gudB 2. Oczywiście obecność katabolicznie aktywnego GDH jest niekorzystna dla komórki, ponieważ endogennie wytwarzany glutaminian, który w przeciwnym razie mógłby być wykorzystany do anabolizmu, jest degradowany do amonu i 2-oksoglutaranu (ryc. 1). W przeciwieństwie do tego, gdy glutaminian jest dostarczany przez pożywkę, szczep B. subtilis wyposażony w wysoki poziom aktywności GDH ma selektywną przewagę wzrostu nad szczepem, który syntetyzuje tylko jeden funkcjonalny GDH. Rozsądne jest założenie, że wysoki poziom aktywności GDH pozwala bakteriom na wykorzystanie glutaminianu jako drugiego źródła węgla oprócz innych źródeł węgla dostarczanych przez pożywkę2 (patrz rysunek 1). Tak więc aktywność GDH silnie wpływa na kondycję bakterii, w zależności od dostępności egzogennego glutaminianu.
Tutaj prezentujemy bardzo obrazową metodę monitorowania i wizualizacji wewnątrzgatunkowej konkurencji między dwoma szczepami B. subtilis, które różnią się pojedynczym locus na chromosomie (Rysunek 2). Dwa szczepy zostały oznaczone genami yfp i cfp kodującymi fluorofory YFP i CFP i były współhodowane w różnych warunkach żywieniowych. Poprzez pobieranie próbek w czasie i poprzez posiewanie odpowiednich rozcieńczeń na płytkach agarowych, osoby, które przeżyły w każdej z kultur, mogą być łatwo monitorowane za pomocą zwykłego mikroskopu stereofluorescencyjnego. Procedura opisana w tym artykule jest łatwa do wykonania i odpowiednia do wizualizacji szybkiej ekspansji klonalnej i eliminacji korzystnych i szkodliwych mutacji, odpowiednio, w populacji komórek w czasie.