Реорганизация биоплёнок: возвращение к теоретическим основам
В новом исследовании учёные, используя методы анализа изображений, аналогичные программному обеспечению для распознавания лиц, сделали неожиданное открытие, которое опровергает две основные теории, объяснявшие, как бактерии самоорганизуются в многоклеточные агрегаты-холмики. Исследование специалистов из Университета Райса и Университета Джорджии опубликовано на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Это открытие важно для изучения биоплёнок — слизистых колоний бактерий, которые образуются на всём: от зубов до кардиостимуляторов. По оценкам экспертов, до 80% всех микробных инфекций возникают из биоплёнок, причём одни и те же бактерии могут быть в 1000 раз более устойчивы к антибиотикам внутри биоплёнки, чем поодиночке. Чтобы эффективнее бороться с ними, учёные пытаются понять биохимические и биофизические механизмы, позволяющие бактериям формировать агрегаты, реорганизовываться и взаимодействовать.
«Результаты нашего анализа были действительно неожиданными, — сказал соавтор исследования Олег Игошин. — Наши данные не подтвердили ни одну из двух основных конкурирующих теорий. Эти теории предполагали, что при формировании и реорганизации бактериальных холмиков отдельные бактерии притягиваются к ним каким-либо химическим сигналом.
Похоже, это совсем не так. Мы не обнаружили никаких факторов, связанных с соседями между группами. Вместо этого, похоже, существует сигнальный механизм внутри самой группы, который преобладает над всем остальным».
Исследование было проведено на бактерии Myxococcus xanthus, обычной почвенной бактерии, которую часто изучают из-за её способности к самоорганизации в различные структуры. В природе M. xanthus коллективно охотятся на другие бактерии. Но когда пищи не хватает, они собираются в потоки и формируют агрегаты, содержащие до 100 000 клеток, которые затем образуют споры. Получившиеся холмики достаточно велики, чтобы их мог унести ветер или насекомые в более благоприятную среду.
Для изучения этого поведения в лаборатории команда Игошина создала компьютерную программу, способную анализировать тысячи неподвижных кадров из микрокинематографических фильмов о M. xanthus. Фильмы были созданы в лаборатории соавтора Лоуренса Шимкетса. Они показали, как M. xanthus сливаются в потоки, образуя «агрегаты». Одна из особенностей этого процесса в том, что менее половины изначально сформированных агрегатов сохраняются до конца процесса. Факторы, контролирующие это «созревание», не были понятны.
В своей программе анализа изображений команда заставила компьютер тщательно изучать каждый агрегат — кадр за кадром — на протяжении всего процесса. Компьютер каталогизировал 33 свойства для каждого агрегата, включая площадь, размер периметра, расстояние до ближайшего соседа и его размер. После сбора всех данных команда провела статистический анализ, чтобы выяснить, может ли какая-либо характеристика или их комбинация предсказать, какой агрегат в итоге «победит».
«Мы обнаружили, что наибольшее значение имеет размер, — сказал Игошин. — Не размер по отношению к соседям, что ранее считалось важным, а размер самого агрегата. Мы выяснили, что если ответить на один вопрос — превышает ли размер агрегата определённый порог — то можно с 90% точностью предсказать, выживет ли он».
Игошин отметил, что некоторые методы анализа изображений, применённые для изучения M. xanthus, аналогичны тем, что ранее использовались для анализа распознавания лиц. Учёные только недавно начали применять подобные методы для решения фундаментальных биологических вопросов, таких как самоорганизация бактерий.
«Один из самых захватывающих аспектов этого исследования — возможность гораздо шире применять эти методы для изучения самоорганизации у других бактерий и одноклеточных организмов. Такой анализ крайне необходим, потому что большинство существующих методов изучения этих явлений носят качественный, а не количественный характер. Как научное сообщество, мы нуждаемся в количественных методах, если хотим проводить сравнения результатов реальных экспериментов и компьютерного моделирования».