Kolonie kvasinek jsou malé šperky

V koloniích mikrobů vidí biologové předchůdce mnohobuněčných organismů. U buněk uvnitř kolonie lze zaznamenat určitou míru specializace, dělby práce, komunikace, a dokonce spolupráce. Kolonie jako celek vzniká z jedné nebo několika buněk, roste, zvětšuje se, tvaruje se, až později růst přestává, kolonie stagnuje, a nakonec buňky kolonie postupně vymírají. Kolonie se tedy vyvíjí podobně jako mnohobuněčný organismus.

Jestliže sledujeme růst buněk mikrobů v tekuté kultuře, můžeme zaznamenat různé strategie, jimiž na tyto podmínky jednotlivé druhy organismů reagují. Mikrobiální buňky se buď stále dělí, buňky se oddělují a dále již k sobě nelnou, kultura jednotlivých buněk postupně houstne, zvětšuje se její zákal. To je jedna krajní možnost. Druhá strategie se vyznačuje tím, že se buňky neoddělují, lnou k sobě, kultura buněk hrudkovatí, vznikají velké agregáty – kolonie buněk. Třetí strategie je kombinací dvou předcházejících. Buňky začínají jednotlivě a za určitých podmínek vysílají do okolí chemické signály, jimiž se svolávají do shluku. Spojí se v kolonii, která vykazuje v další fázi diferenciaci buněk podle polohy uvnitř shluku. Mezi těmito vyhraněnými možnostmi pochopitelně existuje mnoho strategií, které se jeví jako kombinace a přechody mezi členy základní trojice. Na povrchu pevné fáze se obvykle vytvářejí buď kolonie, nebo buněčné filmy.

Na Přírodovědecké fakultě Karlovy univerzity se, pokud vím, začala zabývat koloniemi jako předchůdci mnohobuněčných organismů poprvé skupina vedená Zdeňkem Neubauerem před více než třiceti lety. Zdeněk měl tehdy za sebou velmi úspěšné období výzkumu regulace rozhodování bakteriofágů lambda mezi dvěma základními programy: Jak setrvat v tichosti v buňce hostitele (Escherichia coli) a nechat se v době jeho blahobytu zadarmo hýčkat ve formě profága v jeho šťastně se množících buňkách anebo jak zaútočit na buňky hostitele a po rychlém rozmnožení ho zahubit. Přechod na kolonie myslím Zdeněk alespoň zpočátku chápal jako pokus o pochopení složitějších způsobů rozhodování mezi různými programy uplatňovanými na úrovni vývoje kolonií. Jeho skupina se zaměřila na kolonie bakterií Seracia marcescens, které poskytly v rychlých proměnách „překrásnou louku“ vyznačující se bohatstvím barev a tvarů kolonií. Sledovaly se zejména proměny skladby barev a tvarů kolonií „vykvetlé louky“ po opakovaném klonování jednotlivých typů kolonií ve snaze odpozorovat zákonitosti proměn. Ze Zdeňkovy laboratoře se nadšení záhy přeneslo na jednoho z autorů tohoto článku a později na další členy nově vzniklé skupiny zabývající se kvasinkami.

Modelové laboratorní kvasinky Saccharomyces cerevisiae tvoří obvykle hladké, decentně béžové kolonie. Barvou se tedy neliší od běžně prodávaného droždí. Některé divoké kmeny mají povrch kolonií členitý, jakoby pokrytý potrubím. Na hladkých haploidních koloniích buněk laboratorních kmenů toho příliš nevidíme, zvláště když jsou mladé. Je to jako s lidskou tváří. Každý malíř vám řekne, jak obtížné je vystihnout podobu dítěte, když se na hladké kůži není čeho chytit. Starší pokožka je jiná. Přibývá na ní vrásek a různých výstupků. Na stárnoucí kolonii se vytvářejí vruby, jakýsi reliéf, který se vyznačuje kružnicemi a mezikružími, deformovanými obvykle podobně jako okraj „kruhové kolonie“. Navíc lze pozorovat – zvláště směrem k okrajům starších kolonií – zářezy a segmenty tvaru nakrájeného koláče, které vystupují nad okolí nebo se zanořují do povrchu kolonie. Okraje vystupujících segmentů se projevují obvykle přesahem okraje kolonie, zanořené segmenty naopak více či méně mělkým zářezem do okraje. Druhým typem útvarů jsou papily, sekundární kolonie na povrchu nebo u okraje primární kolonie, jakési nádory či bradavice na povrchu kolonií. I celkový tvar kolonie reaguje na okolí. Kruhový tvar se plně nevyklene například směrem ke kolonii, která roste blízko. Také výška buněčného bochánku je ovlivněna kultivačními podmínkami. Všechny tyto obměny tvaru jsou součástí neverbální komunikace kolonie s experimentátorem, který se záhy naučí jednotlivé změny rozeznávat a správně interpretovat. Tím však celá hra s koloniemi nekončí. Charakter reliéfu se zvýrazní a řeč tvarů se obohatí při práci s barevnými koloniemi.

Jak lze z béžové kolonie udělat kolonii barevnou? Některé mutantní kmeny se mohou vybarvit samy. Např. gen ADE2 kóduje enzym, který přeměňuje červený substrát na bílý produkt. Když je gen inaktivován, červený substrát se hromadí v buňce a kolonie červenají různě intenzivně podle toho, jak použité podmínky ovlivňují regulaci metabolického řetězce pro výrobu ATP, respektive hromadění červeného meziproduktu.

Do buněk lze naroubovat např. bakteriální gen lacZ pro β-galaktosidázu, která přemění bílý artificiální substrát X-gal na modrý produkt. Čím více se – při dostatečném přísunu X-gal – udělá v buňce β-galaktosidázy, tím bude buňka modřejší. Když se β-galaktosidáza nesyntetizuje, kolonie zůstane bílá. Soustředné modré kruhy různé intenzity vypovídají o regulaci exprese genu lacZ, který tady funguje jako reportér o práci regulačních sekvencí kvasinky, za které byl lacZ umístěn.

Kromě toho existují různá vitální barviva, kterými lze kolonie v průběhu růstu vybarvit. Takovým barvivem je např. metylenová modř. Čím pasivnější jsou buňky v růstu, tím více zmodrají. Opět se to projeví vytvořením charakteristického obrazce na povrchu kolonie. Dostaneme informace o aktivitě růstu v různých zónách.

Zatímco soustředné kruhy většinou vypovídají o regulačních stavech buněk v průběhu vývoje kolonie, segmenty a papily většinou vypovídají o mutacích, které vznikly v zakladatelské buňce papily, respektive segmentu. Tyto nástroje byly na katedře genetiky a mikrobiologie PřF UK využity v souvislosti s výzkumem komunikace mezi koloniemi (Vesmír 89, 461, 2010/7) a při studiu adaptivní mutageneze u kvasinek (Vesmír 74, 605, 1995/11). V tomto článku se však těmito vědeckými problémy nechceme zabývat. U příležitosti kulatého výročí narození prof. Zdeňka Neubauera, který zasel sémě výzkumu kolonií na naší katedře, se spokojíme s tím, že ukážeme soubor kvasinkových šperků, které vznikly jako vedlejší produkty výzkumu. Krása provází vědu často, občas nás osloví a inspiruje a někdy dokonce, šťastlivcům, jako jsi ty, Zdeňku, pomáhá řešit vědecké problémy.