Бактерии в полимерах образуют кабелеподобные структуры, растущие в живые гели

Ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Принстонского университета обнаружили, что бактериальные клетки, растущие в растворе полимеров (например, в слизи), формируют длинные кабели, которые изгибаются и переплетаются, создавая своего рода «живое желе».

Это открытие может быть особенно важно для изучения и лечения таких заболеваний, как муковисцидоз, при котором слизь, выстилающая легкие, становится более концентрированной. Это часто приводит к опасным для жизни бактериальным инфекциям, которые закрепляются в этой слизи. Открытие также может иметь значение для изучения биопленок — скоплений бактерий, выделяющих полимеры (например, скользкий налет на речных камнях), — и для промышленных применений, где они могут вызывать поломки оборудования и угрозы для здоровья.

Работа описана в статье, опубликованной 17 января в журнале Science Advances.

«Мы обнаружили, что когда множество бактерий растет в жидкостях, содержащих похожие на спагетти молекулы, называемые полимерами, например в слизи в легких, они образуют кабелеподобные структуры, которые переплетаются, как живые гели», — говорит Суджит Датта, профессор химической инженерии, биоинженерии и биофизики в Caltech и автор-корреспондент новой статьи. «Интересно, что есть сходства между физикой образования этих структур и микроскопической физикой, лежащей в основе многих неживых гелей, таких как Purell или желе».

Исследователи выращивали E. coli (обычно используемую в лабораторных исследованиях) как в обычной жидкости, так и в образцах, подобных слизи при муковисцидозе. Они сосредоточились на клетках, потерявших способность плавать, что характерно для многих бактерий в природе. В обычных условиях, когда такая клетка делится на две, получившиеся клетки отделяются и расходятся. Однако в полимерном растворе скопированные клетки оставались прикрепленными друг к другу, конец к концу.

«По мере того как клетки продолжают делиться и прилипать друг к другу, они начинают формировать эти красивые длинные структуры, которые мы называем кабелями», — говорит ведущий автор статьи Себастьян Гонсалес Ла Корте. «В какой-то момент они фактически изгибаются и складываются друг на друга, образуя запутанную сеть».

Команда обнаружила, что кабели продолжают удлиняться и расти, пока у клеток есть питательные вещества, в конечном итоге создавая цепочки длиной в тысячи клеток.

Последующие эксперименты показали, что, по-видимому, не имеет значения, какой вид бактерий используется или какой тип органического полимерного раствора. Как только вокруг бактериальных клеток оказывается достаточно полимера, кабели растут. Исследователи наблюдали тот же результат даже с бактериями в синтетических полимерах.

Хотя первоначальной мотивацией исследования было лучше понять рост инфекций у пациентов с муковисцидозом, результаты имеют более широкое значение. Слизь играет важную роль в организме человека не только в легких, но и в кишечнике, и в цервиковагинальном тракте. Работа также важна в контексте биопленок — скоплений бактерий, которые выращивают собственную инкапсулирующую полимерную матрицу.

«Та полимерная матрица, которую они выделили, — это то, что делает биопленки такими устойчивыми к удалению с поверхностей и лечению антибиотиками», — говорит Датта. «Понимание того, как клетки растут в этой матрице, может стать ключом к открытию того, как лучше контролировать биопленки».

Понимание физики, стоящей за кабелями

С помощью тщательно спланированных экспериментов команда обнаружила, что именно внешнее давление, оказываемое полимерами, окружающими делящиеся клетки, заставляет клетки слипаться и удерживает их на месте. В физике такая притягивающая сила, находящаяся под контролем внешнего давления, называется деплетным взаимодействием. Гонсалес Ла Корте использовал теорию деплетного взаимодействия для создания теоретической модели роста бактериальных кабелей. Модель может предсказать, когда кабель будет сохраняться и расти в полимерной среде.

«Теперь мы можем фактически использовать установленные теории из физики полимеров, которые были разработаны для совершенно других вещей, в этих биологических системах, чтобы количественно предсказать, когда возникнут эти кабели», — говорит Датта.

Почему бактерии образуют эти кабели?

«Мы открыли это интересное, необычное, очень неожиданное явление», — говорит Датта. «Мы также можем объяснить, почему это происходит, с механистической, физической точки зрения. Теперь вопрос: каковы биологические последствия?»

Интересно, что есть две возможности:

1. Бактерии могут собираться вместе, чтобы сформировать эту сеть живого геля, пытаясь стать крупнее и, следовательно, более трудными для поглощения и уничтожения иммунными клетками.
2. Формирование кабелей может фактически навредить бактериям. В конце концов, именно выделения хозяина заставляют бактерии строить кабели. «Слизь не статична; например, в легких она постоянно поднимается вверх маленькими ресничками на поверхности легких», — говорит Датта. «Может ли быть так, что когда бактерии все сгруппированы вместе в этих кабелях, их на самом деле легче удалить — вывести из организма?»

Пока никто не знает, какая из возможностей верна, и Датта говорит, что именно это делает проект по-прежнему интересным. «Теперь, когда мы обнаружили это явление, мы можем формулировать эти новые вопросы и разрабатывать дальнейшие эксперименты для проверки наших предположений», — говорит он.