Мощная сеть: Внеклеточный матрикс признан источником распространения биоплёнок

Новое исследование в Гарварде объясняет, как бактериальные биоплёнки расширяются, образуя скользкие плёнки на зубах, трубах, хирургических инструментах и сельскохозяйственных культурах.

С помощью экспериментов и математического анализа исследователи показали, что внеклеточный матрикс (ECM) — сеть белков и сахаров, которая может формироваться вне бактериальных клеток, — создаёт осмотическое давление, заставляющее биоплёнки набухать и распространяться.

Механизм ECM настолько мощный, что может увеличить радиус некоторых биоплёнок в пять раз в течение 24 часов.

Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Биоплёнки, большие колонии бактерий, прилипающих к поверхностям, могут быть вредны в самых разных условиях, вызывая кариес, внутрибольничные инфекции, повреждение сельскохозяйственных культур и коррозию. Поиск способов контроля или уничтожения биоплёнок является приоритетом для многих отраслей.

Для роста биоплёнки группа бактериальных клеток должна сначала прикрепиться к поверхности, а затем размножиться и распространиться. При огромном количестве клеток это может привести к образованию плёнки, покрывающей несколько метров.

«Наша работа бросает вызов распространённому представлению о биоплёнках как о малоподвижных сообществах, показывая, как клетки в биоплёнке сотрудничают для колонизации поверхностей», — говорит ведущий автор Аньезе Семинара, научный сотрудник Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS).

Несколько типов биоплёнок были охарактеризованы на основе состава и устойчивости к антибиотикам, но до сих пор не было ясно, какую роль в движении клеток наружу играют жгутики и ECM.

Хотя наличие жгутика традиционно связывали с большей подвижностью, новое исследование показало, что жгутик фактически даёт мало преимуществ в формировании биоплёнок. В гарвардском исследовании мутантные бактерии, лишённые жгутиков, могли распространяться почти с той же скоростью, что и дикий тип (естественные). Мутанты, которые не могли секретировать ECM, демонстрировали задержку роста.

Команда физиков, математиков, химиков и биологов исследовала формирование биоплёнок у Bacillus subtilis, типа палочковидных бактерий, часто встречающихся в почве. Их фокус на этом конкретном виде был определён Роберто Колтером, профессором микробиологии и иммунобиологии Гарвардской медицинской школы, экспертом по биоплёнкам и геномике B. subtilis.

«Этот проект устанавливает связь между фенотипом, физически наблюдаемыми признаками роста биоплёнки, и генетической основой, которая позволяет происходить распространению у B. subtilis», — отмечает со-руководитель исследования Майкл Бреннер, профессор прикладной математики и прикладной физики имени Гловера в SEAS.

Исследователи предполагали возможную связь между потребностью биоплёнки в питательных веществах и процессом распространения. Поскольку биоплёнки поглощают питательные вещества через свою открытую площадь поверхности, они могут набухать вертикально только до определённого момента, прежде чем соотношение площади поверхности к объёму сделает невозможным адекватное питание каждой клетки. В этот момент биоплёнка должна начать распространяться наружу, чтобы площадь поверхности увеличивалась вместе с количеством клеток.

ECM, сложная сеть белков, сахаров и других компонентов вне отдельных клеток, является ключом к одному аспекту этого движения: он, по-видимому, увеличивает осмотическое давление внутри биоплёнки.

В ответ на повышенное давление биоплёнка немедленно поглощает воду из окружающей среды, заставляя всю массу набухать вверх. Конечное изменение формы биоплёнки обусловлено сочетанием этого набухания и последующего горизонтального распространения.

Семинара и Бреннер создали математическую модель, которая отражала многие физические наблюдения команды. Модель подтвердила экспериментальные наблюдения; рассматривая взаимосвязь между набуханием и распространением, они смогли найти «критическое» время, в которое начинается горизонтальное движение наружу.

«Эта работа основана на теоретических предсказаниях, которые были проверены экспериментом и оказались верными, — отмечает со-руководитель исследования Дэвид Вайц, профессор физики и прикладной физики имени Маллинкродта в SEAS и содиректор исследовательской инициативы BASF в Гарварде. — Результаты также демонстрируют, как простые физические принципы могут дать значительное понимание поведения биоплёнок».

Движение биоплёнок представляет лишь небольшую часть сложной темы. Дальнейшие исследования будут изучать, как биоплёнки адаптируются и, возможно, манипулируют своей средой. Конечная цель — изменить поведение биоплёнок, чтобы минимизировать их вредное воздействие.

«Следующий естественный вопрос: контролируют ли клетки активно расширение биоплёнки и могут ли направлять его к желаемым целям? — говорит Семинара. — Это первый шаг к пониманию поразительного эволюционного успеха этих повсеместных организмов, и он может открыть путь к нетрадиционным методам контроля биоплёнок».