Бактерии в каплях формируют сложные, но предсказуемые паттерны в зависимости от уровня кислорода

Даже в такой, казалось бы, простой среде, как капля воды, бактерии могут самоорганизовываться в сложные паттерны. Учёные из Caltech и Принстонского университета с помощью экспериментов, теории и компьютерного моделирования обнаружили, что способ организации этих клеток определяется уровнем кислорода, является предсказуемым и управляемым.

Бактерии естественным образом ограничены периметром капли — ситуация, применимая к бактериальным клеткам в любой жидкой плёнке, например, в слизистой оболочке лёгких или в крошечных каплях влаги в почве. Клеткам нужен кислород, чтобы двигаться.

«Если бактерий достаточно много, те, что у периметра, потребят кислород первыми», — объясняет профессор Сужит Датта. «И если падение уровня кислорода достаточно велико — например, если бактерий слишком много или капля очень большая — те, что в центре, просто не получают достаточно кислорода и, по сути, "засыпают"».

Клетки в центре капли становятся неактивными, образуя плотное ядро, окружённое периметром из клеток, которые продолжают «танцевать», так как у них всё ещё есть доступ к кислороду.

Учёные использовали конфокальный флуоресцентный микроскоп для наблюдения за бактериями в каплях с высоким пространственным разрешением и в трёх измерениях. Удивительно, но если капли достаточно большие, а концентрация бактерий достаточно высока, сложные структуры, образованные спящими и активными клетками, можно увидеть невооружённым глазом.

На основе экспериментов команда разработала математическую модель, объединяющую идеи из биологии, химии и физики, чтобы объяснить наблюдаемые процессы. С помощью моделей и дополнительных экспериментов они смогли предсказать, когда в конкретной капле можно ожидать формирования таких паттернов, и проследить, как эти структуры меняются со временем.

«В интересном повороте, активные клетки движутся к областям с ещё большим количеством кислорода, у края капли. И, делая это, они могут фактически изменить скорость, с которой кислород может проникать внутрь», — говорит Датта. «В некоторых случаях это способствует дальнейшему притоку кислорода, что в итоге заставляет спящие клетки "проснуться"».

Эта работа важна на фундаментальном уровне, так как показывает, как, казалось бы, простые организмы могут создавать сложные структуры коллективно. Но результаты также могут найти применение в ряде областей. Например, и аэробные, и анаэробные бактерии обнаруживаются в слизистой оболочке лёгких.

Анаэробные бактерии могут быть особенно опасны, поскольку они склонны к метаболическому покою — состоянию, которое позволяет им более эффективно уклоняться от действия противомикробных агентов.

«Вопрос в том: можем ли мы разработать количественные рекомендации по повышению эффективности противомикробных препаратов, которые часто не действуют на такие бактерии, поскольку полагаются на метаболическую активность и кислород?» — говорит Датта. «Мы лишь слегка прикоснулись к этой теме, но это один из контекстов, где наши результаты могут быть полезны».