Механические силы биоплёнок могут играть роль в инфекциях

Подавляющее большинство бактерий в мире живут на поверхностях, формируя структуры, называемые биоплёнками. Эти сообщества, которые учёные называют «городами», включают тысячи или миллионы бактерий разных типов.

Биоплёнки — предпочтительный образ жизни бактерий. Они образуются прикреплением к поверхностям, от дна океана до внутренних органов и зубов (зубной налёт — пример биоплёнки). Однако биоплёнки также вызывают хронические инфекции, например, Pseudomonas aeruginosa в лёгких пациентов с муковисцидозом.

Взаимодействие биоплёнки и хозяина обычно рассматривается как биохимическое. Но есть свидетельства, что физическое, механическое взаимодействие может быть столь же важным и недооценённым фактором влияния на физиологию хозяина.

Учёные под руководством Алекса Персата из EPFL исследовали, как биоплёнки формируются на мягких, тканеподобных материалах. В работе, опубликованной в журнале eLife, они показали, что биоплёнки двух основных патогенных бактерий, Vibrio cholerae и Pseudomonas aeruginosa, могут вызывать значительные структурные деформации на мягких материалах, таких как гидрогели.

При формировании биоплёнки бактерии прикрепляются к поверхности, делятся и погружаются в смесь полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот и остатков мёртвых клеток. Эта смесь образует липкое вещество — внеклеточный полимерный матрикс (EPS).

Рост отдельных бактерий внутри EPS растягивает или сжимает его, создавая механическое напряжение. Рост биоплёнки и эластичные свойства матрикса генерируют внутреннее механическое напряжение.

Учёные выращивали биоплёнки на мягких поверхностях гидрогелей и измеряли, как они воздействуют силой при изменении компонентов EPS. Оказалось, что биоплёнки вызывают деформации, изгибаясь, как ковёр или линейка. Величина деформаций зависит от жёсткости материала «хозяина» и состава EPS.

Исследователи также обнаружили, что биоплёнки V. cholerae могут генерировать достаточно механического напряжения, чтобы деформировать и повреждать мягкие монослои эпителиальных клеток, выстилающих поверхность лёгких и кишечника. Это означает, что силы, создаваемые растущими биоплёнками, могут механически нарушать физиологию хозяина. Биоплёнки могут способствовать «механическому» способу заражения, что может потребовать совершенно нового подхода к лечению.