Бактериальные сообщества используют сложную стратегию для коммуникации на больших расстояниях
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали теорию перколяции (просачивания), чтобы объяснить, как сообщества бактерий (биоплёнки) эффективно передают электрохимические сигналы на большие расстояния. Результаты опубликованы 25 июля в журнале Cell Systems.
Контекст и проблема
- Биоплёнки обитают повсеместно (почва, трубы, поверхность зубов).
- Клетки на краю сообщества растут активнее из-за большего доступа к питательным веществам.
- Чтобы сбалансировать рост и обеспечить питанием клетки в глубине биоплёнки, «голодные» внутренние клетки посылают к краю электрохимические сигналы. Эти сигналы приостанавливают потребление питательных веществ на периферии, позволяя им проникать внутрь.
- Это повышает устойчивость сообщества: если антибиотики уничтожат часть внешних клеток, защищённая внутренняя часть сможет выжить.
- Ключевой вопрос: как бактерии, не имеющие специализированных структур вроде аксонов у нейронов, так эффективно передают сигналы через сотни клеток?
Решение: теория перколяции
- Идею применить теорию перколяции (известную с 1950-х годов для описания передачи сигналов в сетях) предложили сотрудники Университета Пердью.
- Аналогии: приготовление кофе (вода просачивается через слой кофейной гущи) или добыча нефти (извлечение из пористой породы).
- Учёные отслеживали «срабатывающие» (передающие сигнал) клетки с помощью флуоресцентной микроскопии.
- Результат: доля активных клеток и их распределение в пространстве точно соответствовали теоретическим предсказаниям для начала перколяции.
- Бактериальное сообщество поддерживало долю активных клеток ровно на критической точке фазового перехода — между отсутствием связности и полной связностью между клетками.
Выводы
- «Интересно, что эти так называемые простые одноклеточные организмы используют довольно сложную стратегию для решения проблемы на уровне сообщества», — отметил Джозеф Ларкин, ведущий автор исследования.
- «Мы все знакомы с тем, как мы делаем кофе методом перколяции, и интересный поворот в том, что бактерии, по-видимому, используют ту же концепцию», — добавил старший автор работы Гюроль Сюэль.