Успех бактериального сообщества зависит от его формы

Исследователи MIT обнаружили, что клетки в бактериальной колонии растут так, чтобы приносить пользу всему сообществу. Когда клетка является частью большой колонии, она может выбрать более кооперативную стратегию роста, увеличивая шансы на выживание всей колонии.

Исследователи изучили динамику коллективного роста у бактерии Pseudomonas aeruginosa. Они совместили лабораторные эксперименты с теоретическим моделированием.

Морщины во времени

Колонии, выращенные на агаре, сначала формировали гладкий диск, растущий наружу. Со временем они начинали расти вверх, образуя сложный узор радиальных гребней (морщин). Исследователи предположили, что такое "сморщивание" увеличивает площадь поверхности для поглощения кислорода.

После достижения определённой ширины морщины переставали расти вширь, но продолжали расти в высоту. Любопытно, что все морщины в колонии останавливали рост на одной и той же ширине.

Роль кислорода и оптимальная ширина

Математическая модель, разработанная для моделирования доступности кислорода внутри колонии, точно предсказала его распределение. Модель показала, что при заданном количестве кислорода существует оптимальная ширина, до которой будут расти морщины, чтобы максимизировать выживаемость колонии. Любая другая ширина (больше или меньше) замедляет рост всего сообщества.

Эксперименты подтвердили это: при разной доступности кислорода (15%, 21% и 40%) морщины адаптировались, становясь уже при меньшем количестве кислорода и шире — при большем.

Генетический компонент

Исследователи также обнаружили генетический компонент, регулирующий форму колонии. Они использовали мутантный штамм P. aeruginosa, лишённый феназинов — химических веществ, имитирующих эффект кислорода. В аналогичных экспериментах с диким штаммом (продуцирующим феназины) морщины росли шире, что указывает на влияние дополнительных ресурсов, похожих на кислород.

Эта работа показывает, как простая метаболическая необходимость (доступ к кислороду) может объяснить сложную пространственную структуру бактериальных сообществ. Модель может быть полезна для изучения роста колоний в присутствии определённых химических веществ или лекарств, например, при муковисцидозе.