Так мы получаем чашку свежего кофе из комка зерен. Так океанские нефтяные вышки добывают нефть из плотных горных пород под морским дном. Это даже помогает объяснить, как распространяются лесные пожары.
Теория, известная как «перколяция», теперь помогает микробиологам из Калифорнийского университета в Сан-Диего объяснить, как сообщества бактерий могут эффективно передавать сигналы на большие расстояния. Было обнаружено, что когда-то считавшиеся простым скоплением микроорганизмов, сообщества бактерий, также называемые «биопленками», используют ионные каналы для электрохимической коммуникации, которая помогает сообществу процветать и выживать в угрозах, таких как химическая атака антибиотиков.
Выводы, проведенные под руководством Джозефа Ларкина и старшего автора Гурола Сюэля из Калифорнийского университета в Сан-Диего, опубликованы 25 июля в журнале Cell Systems.
Сообщества биопленок населяют все вокруг нас, от почвы до дренажных труб и поверхности наших зубов. Клетки на краю этих сообществ, как правило, растут быстрее, чем их внутренние аналоги, потому что они имеют доступ к большему количеству питательных веществ. Чтобы контролировать этот крайний рост и гарантировать, что все сообщество находится в хорошей форме и сбалансировано, «голодные» члены внутренней части биопленки посылают электрохимические сигналы членам снаружи. Эти сигналы останавливают потребление на границе, позволяя питательным веществам проникать внутрь клеток, чтобы избежать голода.
«Это обеспечивает достаточное питание внутренней части, и если произойдет химическая атака и уничтожит некоторые внешние клетки, тогда защищенная внутренняя часть сможет продолжить свое существование, и все население сможет выжить», - сказал Ларкин, сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Диего, доктор биологических наук. «Важно, чтобы электрохимический сигнал последовательно передавался на всем пути к краю биопленки, потому что это место, где рост должен быть остановлен, чтобы сообщество могло извлечь максимальную выгоду из передачи сигналов».
Приступая к своему новому исследованию, исследователи стремились объяснить, как бактериальные сообщества способны распространять эти электрохимические коммуникационные сигналы. В отличие от нейронов, у которых есть специальные структуры для передачи электрохимических сигналов, известные как аксоны, в бактериальных сообществах нет таких сложных структур. Это вызвало вопрос о том, как бактерии могут так эффективно передавать сигналы на большие расстояния внутри сообщества.
После просеивания огромного количества данных о бактериях исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего начали сотрудничать с Эндрю Мюглером и Сяолин Чжаем из Университета Пердью, которые предложили идею о том, что теория перколяции может объяснить, как бактериальные сообщества могут распространять сигналы от клетки к клетке..
Теория перколяции существует с 1950-х годов и помогла физикам описать, как сигналы передаются через среду или сеть различных компонентов. В кофеварке горячая вода просачивается через кофейную гущу в графин. В нефтяной промышленности бурильщики максимизируют свою добычу, добывая нефть из просочившихся песков, коренная порода которых достаточно пористая, чтобы позволить нефти течь по большой площади.
В сообществе бактерий сигналы передаются от клетки к клетке по связанному пути на расстоянии сотен клеток. Используя флуоресцентные микроскопы, исследователи смогли отслеживать отдельные клетки, которые «стреляли» (передавали сигнал). Ученые обнаружили, что доля светящихся клеток и их распределение в пространстве точно соответствуют теоретическим предсказаниям начала перколяции. Другими словами, в бактериальном сообществе была доля активных клеток, которая находилась как раз на переломном этапе между отсутствием связи и полной связью между клетками, также известной как точка критического фазового перехода..
Мы все знакомы с тем, как мы делаем кофе с помощью перколяции, и интересно, что бактерии, по-видимому, используют ту же концепцию для выполнения очень сложной задачи эффективной передачи электрохимического сигнала на очень большие расстояния от клетки к клетке. ячейке, - сказал Сюэль.
«Интересно, что эти бактерии, которые представляют собой так называемые простые одноклеточные организмы, используют довольно сложную стратегию для решения этой проблемы на уровне сообщества», - сказал Ларкин. «Он достаточно сложен, чтобы мы, люди, использовали его, например, для добычи нефти."