Геометрия жизни: физики определили, что контролирует рост биоплёнок

Биоплёнки — колонии бактерий — повсеместны: от зубного налёта до плёнки на пруду. Они растут на медицинских имплантатах, коже, контактных линзах, в кишечнике и лёгких, в канализационных системах, на растениях и в океане.

"Некоторые исследования говорят, что 80% инфекций в человеческом теле можно отнести к бактериям, растущим в биоплёнках", — говорит Ааваз Покрел, аспирант Технологического института Джорджии и ведущий автор нового исследования, использующего физику для изучения роста биоплёнок.

Статья "Биофизическая основа роста бактериальных колоний" опубликована в Nature Physics. Она показывает, что приспособленность биоплёнки — её способность расти, расширяться и поглощать питательные вещества — в значительной степени определяется углом контакта, который край биоплёнки образует с субстратом. Это геометрическое свойство оказалось важнее для приспособленности, чем что-либо другое, включая скорость размножения клеток.

"Это стало для нас большим сюрпризом", — говорит соавтор Питер Юнкер, доцент Школы физики Технологического института Джорджии. Они ожидали, что геометрия важна, но не думали, что она станет единственным самым важным фактором.

Понимание факторов роста биоплёнок может дать ключевые идеи для контроля над ними, что важно для здоровья человека — например, для замедления распространения инфекции.

Новый метод

Изучать биоплёнки сложно из-за их микроскопической природы. В 2015 году Юнкер задумался, можно ли применить к ним интерферометрию — распространённый метод визуализации в физике и материаловедении.

Метод оказался простым, эффективным и быстрым, обеспечивая нанометровое разрешение для съёмки топографии поверхности бактериальных колоний.

В экспериментах команда заметила, что каждая маленькая колония имеет специфическую форму: сферический сегмент (как капля воды). Это форма, часто встречающаяся в физике, которая минимизирует поверхность.

Математическая загадка

Однако по мере роста колонии отклонялись от формы сферического сегмента. Средняя часть росла не так быстро, чтобы сохранить эту форму.

Прорывом стало применение к проблеме нестандартной геометрической задачи — "задачи о салфеточном кольце". Покрел, отвечавший за геометрическую часть, обнаружил, что клетки на краю формы растут экспоненциально, расширяясь по субстрату, а клетки в середине растут вверх. Получалась форма, похожая на яйцо на сковороде, где "белок" растекается, а "желток" растёт в высоту.

Ключевое открытие: поскольку клетки в середине вносят вклад только в высоту биоплёнки, для моделирования роста нужно учитывать только клетки на её краю и их форму.

Математическая модель подтвердила, что угол контакта — самый важный фактор роста, даже важнее скорости репродукции клеток.

Связь физики и биологии

Работа над проектом заняла более трёх лет. Команда надеется, что исследование откроет путь для будущих работ, например, по изучению конкуренции между биоплёнками: меняют ли более высокие колонии угол контакта, чтобы распространяться быстрее?

"Биология сложна", — говорит Юнкер. В природе поверхность роста может быть не такой однородной, как в лаборатории, а колонии могут иметь мутации или состоять из нескольких видов. "Но сначала нам нужно было понять, что происходит, когда температура и доступность питательных веществ постоянны".

Модель, основанная на поведении биоплёнок в контролируемой лабораторной среде, — это критически важный первый шаг к пониманию их поведения в природе.