Исследование биоплёнок раскрывает механизм сосуществования разных видов бактерий

Биоплёнки — скользкие сообщества бактерий — образуются на самых разных поверхностях: от ледников и горячих источников до корней растений, ванн, холодильников, ран и медицинских устройств, таких как катетеры. Большинство биоплёнок состоят из нескольких видов бактерий, но как эти виды сосуществуют, было неясно.

Новое исследование учёных из Дартмута, опубликованное в Current Biology, с помощью экспериментов и моделирования исследует, как три вида бактерий в биоплёнке сосуществуют — и когда они "уходят" самостоятельно.

Один вид, Pseudomonas aeruginosa — универсальный патоген, известный своей устойчивостью к антибиотикам, — доминировал над двумя другими. Однако этот вид мигрировал в поисках лучших условий, когда поверхность становилась слишком переполненной, вместо того чтобы оставаться и конкурировать с соседями. Отделяясь, Pseudomonas позволяла всей колонии бактерий процветать.

"Поведение Pseudomonas, связанное с расселением, позволяет трём видам сосуществовать там, где в противном случае они бы не смогли", — говорит автор-корреспондент Кэри Наделл, доцент биологических наук в Дартмуте. "Это первый случай, когда явно показано, что расселение имеет очень важные экологические последствия, когда мы рассматриваем биоплёнки как сообщество".

Исследователи изучили сообщество из трёх видов бактерий: P. aeruginosa, Escherichia coli и Enterococcus faecalis. Все они ведут себя как оппортунистические патогены и часто выделяются при катетер-ассоциированных инфекциях мочевыводящих путей, поэтому понимание их взаимодействия может углубить знания об этих инфекциях.

"Мы хотели понять, как биоплёнки могут поддерживать разнообразие видов или штаммов, потому что мы знаем, что бактерии очень хорошо умеют убивать друг друга", — говорит первый автор Джейкоб Холт, аспирант в исследовательской группе Наделла, руководивший исследованием. "Это была большая мотивация — если они так хороши в этих антагонистических поведениях, как они сосуществуют в этих тесно связанных сообществах?"

Для исследования учёные выращивали три вида на стеклянной поверхности, способствующей развитию биоплёнки, и в хорошо перемешанной жидкой культуре. Они "засевали" равное количество каждой бактерии в каждую среду, а затем использовали флуоресцентную микроскопию, чтобы изучить, как относительная численность разных видов менялась со временем.

В жидкой культуре P. aeruginosa стремительно размножилась и полностью вытеснила два других вида примерно через три дня. Однако в среде биоплёнки динамика была совершенно иной.

Сначала популяции E. faecalis и E. coli росли быстрее, чем P. aeruginosa, но через несколько дней популяция P. aeruginosa резко увеличилась и начала вытеснять другие два вида. Однако, когда биоплёнка стала плотно заселённой, популяция P. aeruginosa сократилась, что позволило двум другим видам восстановиться. Вскоре после этого P. aeruginosa снова начала доминировать — и цикл повторился.

Когда команда проверила различные теоретические модели для объяснения этих циклов, лучшей оказалась удивительно простая модель. "Фундаментальный механизм очень прост", — говорит Холт. "Когда доминирующий вид достигает очень высокой численности, он выборочно удаляет себя из системы, что позволяет другим видам оставаться".

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи повторили эксперимент с генетически модифицированным мутантным штаммом P. aeruginosa, лишённым способности к расселению. В этом случае биоплёнка полностью доминировала P. aeruginosa, что повторило результаты, наблюдаемые в жидкой культуре, и подтвердило выводы их модели.

Эти результаты подчёркивают важность проведения исследований в реалистичных условиях, говорит Наделл.

"Важно стремиться к большей экологической реалистичности. Выводы, полученные из хорошо перемешанных жидких бактериальных культур, часто могут не применяться к средам биоплёнок, которые гораздо более распространены в реальном мире", — говорит он. "Это указывает на важность изучения этих сообществ в контексте с добавлением некоторой реалистичности".

Команда планирует развивать этот компонент реалистичности в будущих исследованиях. Для своего следующего проекта Холт и Наделл работают над выращиванием Vibrio cholerae, бактерии, вызывающей холеру, на панцирях креветок — субстрате, на котором эти бактерии часто растут в своей морской среде.