Как бактерии активно используют пассивную физику для создания биоплёнок

Бактерии часто образуют сложные сообщества — биоплёнки, которые крайне устойчивы к стрессам, включая лечение антибиотиками. Более 50 лет исследования фокусировались на биологических процессах. В новой перспективной статье в Proceedings of the National Academy of Sciences учёные из Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (Эрланген), Еврейского университета в Иерусалиме и Гарвардской медицинской школы показали, как бактерии используют физические процессы для формирования и поддержания биоплёнок.

Биоплёнки как ткани

Биоплёнки сравнивают с человеческими тканями из-за их сложности и гетерогенности. Ключевая черта — бактерии погружены в самосекретируемый внеклеточный полимерный матрикс. Он скрепляет клетки, обеспечивает механическую стабильность, служит резервуаром воды и питательных веществ и защищает от антимикробных агентов.

Проф. Лираз Хаи предложил рассматривать не только матрикс, но и всё внеклеточное пространство — уникальную среду, где матрикс пропитан водой, питательными веществами, сигнальными молекулами, продуктами жизнедеятельности и ионами металлов. В этой среде физические процессы напрямую влияют на физиологию биоплёнки.

Где разворачивается физика

Вода, доминирующая во внеклеточном пространстве, критически важна. Осмотические эффекты позволяют матриксу впитывать воду, помогая биоплёнке расширяться, как губке. Испарение воды с поверхности может驱动 потоки, доставляющие свежие питательные вещества. В некоторых биоплёнках даже формируются сосудистые каналы.

При нехватке воды биоплёнки могут запускать стрессовый ответ на обезвоживание, удерживая воду во внеклеточном пространстве. Они способны переводить свои внеклеточные полисахаридные компоненты в стеклообразное состояние — стратегия, известная у устойчивых к высыханию семян растений и тихоходок.

Кроме того, во внеклеточном пространстве идут процессы молекулярной самоорганизации (например, образование белковых комплексов), а накопление минералов на матриксе может приводить к биоминерализации (например, образование зубного камня).

Как контролировать физику

Перспективное направление — понять, как физические процессы во внеклеточном пространстве регулируются на генетическом уровне бактерий. Пути регуляции секреции матрикса изучены относительно хорошо. Однако остаётся открытым вопрос, как последовательность событий производства матрикса оркестрируется в зависимости от микроокружения клетки и как она меняется в ответ на внешние воздействия.

«Очень базовые физические процессы могут быть ключом к пониманию этой сложной пространственно-временной иерархической организации — от нанометрового масштаба отдельных белков до целых биоплёнок размером в сантиметры», — пояснил проф. Василий Забурдаев.