Удивительная красота в бактериальных культурах

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что при совместном выращивании двух видов бактерий на агаре образуются сложные цветочные узоры.

В статье, опубликованной в журнале eLife, команда из Института био-схем (BCI) и факультета физики под руководством научного сотрудника и заместителя директора BCI Льва Цимеринга сообщает, что при совместном размещении на поверхности агара неподвижных E. coli (Escherichia coli) и подвижных A. baylyi (Acinetobacter baylyi), E. coli "ловят волну" на фронте расширяющейся колонии A. baylyi.

• Агар служил пищей для бактерий и поверхностью, по которой E. coli не могли легко передвигаться (что делало их неподвижными).
• A. baylyi, напротив, могут активно ползать по агару с помощью микроскопических ножек — пилей.
• Капля чистых E. coli почти не распространялась за 24 часа, а капля чистых A. baylyi покрывала всю площадь чашки Петри.

Однако при смешивании E. coli и A. baylyi в исходной капле оба штамма процветали и распространялись по всей площади, поскольку неподвижные E. coli "проехали" на высокоподвижных A. baylyi. Больше всего исследователей удивили замысловатые цветочные узоры, появившиеся в растущей колонии за 24 часа.

"Красота узора поразила меня, и я начал задаваться вопросом, как бактериальные клетки могут взаимодействовать друг с другом, чтобы стать художниками", — сказал Лиян Сюн, ведущий автор исследования.

Чтобы выяснить, как формируются цветочные узоры, Сюн и коллеги разработали математические модели, учитывающие различные физические свойства двух штаммов: различия в скорости роста, подвижности и эффективном трении о поверхность агара. Теоретический и вычислительный анализ показал, что формирование узора начинается на расширяющейся границе колонии, которая становится нестабильной из-за сопротивления, создаваемого E. coli, накапливающимися там.

• На участках с меньшим скоплением E. coli трение меньше, что позволяет границам продвигаться быстрее.
• На участках с большим скоплением E. coli и большим трением границы застаиваются.
• Именно это создает "лепестки" цветка.

Дальнейший анализ предполагает, что такой тип узора должен формироваться, когда подвижные бактерии смешиваются с неподвижным штаммом, имеющим достаточно высокую скорость роста и/или эффективное поверхностное трение. Это может иметь важное значение для изучения растущих биопленок.

Биопленки — это сообщества микроорганизмов, которые прилипают друг к другу и к поверхностям, создавая прочные матрицы. Их примеры — зубной налет и тина в прудах. Они также образуются на медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы и катетеры. Понимание того, как неподвижные бактерии могут "прилипать" к подвижным, может дать представление о том, как формируются и как можно устранить биопленки.

"Большинство бактерий в естественных местообитаниях живут в сообществах из нескольких штаммов... Мы обнаружили, что удивительная сложность может быть результатом чисто физических механизмов взаимодействия", — отметил Лев Цимеринг.