Как течение жидкости влияет на структуру бактериальных биоплёнок

Биофизики из EPFL систематически изучили, как течение жидкости влияет на бактериальные биоплёнки. Результаты дают представление о физических правилах, определяющих архитектуру биоплёнок, и о социальной динамике, влияющей на эволюцию.

Бактерии — социальные организмы, и большинство из них живут на поверхностях, формируя биоплёнки: трёхмерные сообщества, которые можно описать как «бактериальные города». Они образуются на дне водоёмов, медицинском оборудовании и внутренних органах (например, зубной налёт).

Биоплёнки — предпочтительный образ жизни бактерий. Они создают новую социальную динамику и обеспечивают защиту, будучи часто недоступными для антибиотиков.

«Вынужденные» социальные взаимодействия

Изучение биоплёнок помогает понять социальную динамику, такую как кооперация и конкуренция, которая формировала эволюцию видов. Около 90% бактериальной жизни на поверхности Земли существует в форме биоплёнок. Их плотная структура сближает разные виды, заставляя их взаимодействовать, что влияет на эволюцию. Однако правила, определяющие архитектуру и организацию клеток в биоплёнках, до конца не ясны.

В новом исследовании аспирантка Тамара Росси изучила, как физические факторы, в частности течение окружающей жидкости, влияют на развитие биоплёнок. Течение жидкости — повсеместный фактор для биоплёнок в океанах, лёгочных инфекциях, микробиоте кишечника.

Для эксперимента Росси создала модель биоплёнки, используя два разных клона бактерии Caulobacter crescentus, которая прикрепляется к поверхностям и образует биоплёнки. Бактерии выращивались в микрофлюидных чипах с контролируемым потоком жидкости в каналах шириной полмиллиметра.

Визуализация на уровне отдельных бактерий показала драматические различия в архитектуре:

• При слабом течении биоплёнки были очень плотными.
• При сильном течении бактерии росли редкими кластерами.

Физическая модель, аналогичная транспорту молекул в жидкостях, показала, что сильное течение значительно снижает способность бактерий подплывать к поверхности и колонизировать её, что приводит к формированию разреженных колоний.

Контр-интуитивные результаты

Некоторые результаты оказались неожиданными:

• Высокие скорости потока снижают вероятность того, что плавающие бактерии смогут внедриться в существующие колонии.
• Для роста в таких условиях одиночные клетки полагаются на немедленное прикрепление дочерних клеток рядом с материнскими.

Сильное течение также приводило к сегрегации двух популяций, что может существенно влиять на социальную динамику между бактериями в биоплёнке.

Ключевой вывод: Низкая и высокая скорость потока принципиально важны для организации и структуры биоплёнки. Это показывает, что течение и физическая среда в целом могут влиять на эволюционную историю бактериального вида, как минимум, между разными клонами, и, вероятно, между разными видами.

Биоплёнки — увлекательный и важный аспект микробной жизни. Мы только начинаем понимать, как физические принципы направляют их архитектуру и как это влияет на физиологию и эволюцию бактерий. Это исследование лишь «царапает поверхность» — предстоит ещё многое узнать.