Механические силы формируют загадочные узоры бактериальных биоплёнок

Липкие скопления бактерий, называемые биоплёнками, часто образуют замысловатые узоры, похожие на звёздные вспышки, по мере роста. Исследователи из Принстонского университета объединили знания в молекулярной биологии, механике и математическом моделировании, чтобы раскрыть физические процессы, лежащие в основе этих любопытных складок.

"В определённый момент появляются узоры: полосы, зигзаги и кольца", — сказал соавтор Нед Вингрин. "Это всегда было для меня загадкой".

Исследование, опубликованное 19 марта в Proceedings of the National Academy of Sciences, помогает понять, как бактерии растут в различных средах, и может помочь в изучении физических сил, управляющих ростом и изменением тканей человека.

"Это добавляет к совокупности работ, исходящих из механической перспективы, которые говорят, что мы наблюдаем проявление физических законов", — сказал Вингрин. "Это поможет нам понять, в какой степени некоторые из этих узоров влияют на свойства биоплёнок, важные с биологической и медицинской точек зрения".

В работе анализировалось образование биоплёнок бактерии Vibrio cholerae. На мягком субстрате биоплёнки изначально растут плоским слоем, но позже становятся морщинистыми, с радиальными и зигзагообразными узорами пиков и впадин. Исследование показало, что эти узоры зависят от относительной мягкости или жёсткости субстрата биоплёнки, которую учёные варьировали, изменяя концентрацию агара.

• На более мягком субстрате складки начинают формироваться по краям биоплёнки и распространяются к центру.
• На более жёстком субстрате складки сначала появляются в центре и распространяются наружу.

В обоих случаях биоплёнки в итоге имеют зигзагообразный узор складок в центре и более упорядоченный узор радиальных полос по внешним краям.

Этот процесс обусловлен совокупностью факторов, включая поглощение питательных веществ бактериями из субстрата, что приводит к неравномерному росту по мере истощения питательных веществ в центре биоплёнки. Бактерии производят новые компоненты внеклеточного матрикса по мере роста, а также молекулы, которые заставляют бактерии прилипать друг к другу и к субстрату.

"Это очень сложный процесс, включающий рост и механику", — сказал ведущий автор Чэньи Фэй. "Чтобы понять его, мы построили так называемую хемо-механическую модель. Мы учитываем питательные вещества и неравномерный рост биоплёнки, а также то, как эти особенности преобразуются в механические силы или напряжения, которые накапливаются".

Модель позволила исследователям предсказать, какие области биоплёнки будут испытывать максимальное напряжение в определённые моменты времени, и, следовательно, предсказать, где сформируются складки. Предсказания хорошо соответствовали экспериментальным измерениям трёхмерных форм реальных биоплёнок.

Ключевым аспектом модели является использование классического инженерного анализа механических неустойчивостей, который ранее применялся к таким проблемам, как изгиб железнодорожных путей при экстремальных температурах. Подобный тип неустойчивости заставляет мягкие материалы, такие как биоплёнки, образовывать складки.

Помимо расширения знаний о том, как растущие клетки взаимодействуют с мягкими субстратами, исследователи планируют продолжить изучение жизненных циклов бактерий, включая стадию диссеминации, когда некоторые бактериальные клетки отделяются от биоплёнки, покидают структуру и колонизируют новые области.