Удачливые бактерии становятся «богатыми» при формировании устойчивых колоний

Исследователи из Калифорнийского, Северо-Западного и Вашингтонского университетов обнаружили, что формирование устойчивых бактериальных сообществ — биоплёнок — подчиняется принципу «богатые становятся богаче», аналогичному распределению богатства в экономике США. Исследование будет опубликовано 8 мая в журнале Nature.

Биоплёнки — это колонии бактерий на поверхностях, включая ткани человека. Бактерии в них меняют экспрессию генов и становятся гораздо устойчивее к антибиотикам и иммунной защите, чем свободно плавающие клетки, поскольку окружают себя матриксом из белков, ДНК и сахаров.

Учёные под руководством Жерара Вонга, Эрика Люйтена и Мэтью Р. Парсека выяснили механизм раннего формирования биоплёнок, отследив развитие штаммов бактерии Pseudomonas aeruginosa с помощью алгоритмов и компьютерного моделирования. P. aeruginosa вызывает опасные, трудно поддающиеся лечению инфекции, например, у пациентов с муковисцидозом и СПИДом.

Оказалось, что бактерии, которые начинают формирование микро-колоний, не обладают какими-то особыми врождёнными качествами. Двигаясь по поверхности, они оставляют следы из специфического типа полисахаридов (длинных молекул сахара).

«Некоторые бактерии оставались на месте, — сказал Парсек, — но некоторые двигались по поверхности, казалось бы, случайно, но оставляя след, который влиял на поведение других бактерий, сталкивавшихся с ним».

Бактерии, прибывающие позже, также оставляют следы, но их движение направляется следами «первопроходцев». Эта сеть следов создаёт процесс положительной обратной связи и позволяет бактериям организоваться в микро-колонии, которые созревают в биоплёнки. Оказавшись в нужном месте в нужное время и используя коммунально произведённые полисахариды, небольшое количество удачливых клеток — часто те, что приходят позже — первыми формируют микро-колонии, дающие клеткам преимущества для выживания.

Эти биоплёнки развиваются в соответствии с законом Ципфа — особой формой явления «богатые становятся богаче». Известный пример — распределение богатства в США, где 20% населения владеют более чем 80% общего богатства.

«Оказывается, бактерии делают то же самое, — сказал Вонг. — Эффективно проведя перепись бактерий с помощью наших недавно разработанных методов, мы обнаружили, что способ их организации в микро-колонии не случаен, как считалось ранее».

По аналогии с экономикой, это исследование может подсказать новые способы борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями.

«Возможно, не всегда лучший способ лечения биоплёнок — просто убивать бактерии антибиотиками, — отметил Вонг. — Наша работа предполагает, что новые варианты лечения могут использовать стимулы и коммуникацию, а также «наказание» для контроля бактериальных сообществ».

«По-настоящему прекрасный аспект этой работы — то, как она опирается на комбинацию экспериментов и компьютерного моделирования, — добавил Люйтен. — Только благодаря объединению совершенно разных типов экспертизы трёх различных исследовательских групп удалось распутать, что происходит, и как полисахариды влияют на организацию бактерий в микро-колонии».