Хотя мы склонны думать о них как об одиночных обитателях мира, бактерии на самом деле очень социальные организмы. На самом деле подавляющее большинство бактерий живут на поверхностях, образуя «биопленки»: трехмерные сообщества, в которых обитают от тысяч до миллионов бактерий с такой бурной активностью, что ученые называют их «бактериальными городами».
Бактерии образуют биопленки, прикрепляясь друг к другу на самых разных поверхностях: дно океанов, озер или рек, медицинское оборудование и даже внутренние органы, такие как кишечник, легкие и зубы - последнее знакомо зубной налет, большой источник дохода для стоматологов.
Короче говоря, биопленки являются предпочтительным образом жизни бактерий. Они разрастаются в ширину и толщину, формируя новую социальную динамику среди микроорганизмов-членов, а также защищая их: биопленки могут быть заведомо недоступны для антибиотиков, поэтому они привлекли множество медицинских исследований.
Но просмотр биофильмов также может дать нам представление о более широкой социальной динамике, которая сформировала эволюцию видов на всей планете, таких как сотрудничество, конкуренция и т. д. И именно такие вопросы лежат в основе работы Александра Перса, режиссера лаборатории микробной механики EPFL.
«Около девяноста процентов бактериальной жизни на поверхности Земли находится в форме биопленок», - говорит он. «Поскольку эти структуры очень плотные, они сближают многие виды, что заставляет их взаимодействовать социально и, следовательно, стимулирует их эволюцию. Таким образом, результат социальных взаимодействий, таких как конкуренция или сотрудничество, зависит от пространственного расположения этих клеток. Но что формирует архитектуру и организацию клеток в биопленках, например, смешивание или разделение, до сих пор неясно».
В новом исследовании Тамара Росси, аспирант группы Персата, расширяет наш взгляд на биопленки, чтобы посмотреть, как физические сигналы влияют на их развитие, а точнее, как на них влияет поток окружающей жидкости. «Будь то в океанах, инфекциях легких, коже, кишечной микробиоте - физика жидкостей вездесуща для биопленок», - говорит Росси. «Мы хотели изучить, как поток меняет их пространственную организацию».
Для этого Росси пришлось сначала создать модель биопленки, которую можно было бы изучать в условиях контролируемого потока. Она выбрала два разных клона бактерии Caulobacter crescentus, которая обычно встречается в пресноводных озерах и ручьях и проходит стадию «стебельчатой» клетки, которая позволяет ей закрепляться на поверхностях, колонизировать их и образовывать биопленки. Росси выращивала бактерии в микрожидкостных чипах, внутри которых она могла тщательно контролировать мельчайшие количества жидкости, протекающей через каналы шириной всего в полмиллиметра.
Росси визуализировал формирование биопленок на уровне отдельных бактерий, чтобы контролировать влияние каждой скорости потока на бактериальные колонии. Результаты показали существенные различия в архитектуре между разными потоками: в слабых потоках биопленки были очень плотными. В более сильных потоках бактерии росли редкими кластерообразными биопленками.
Чтобы понять этот процесс, Росси построил физическую модель, напоминающую транспорт молекул в жидкостных системах. Используя его, она обнаружила, что более сильные потоки могут резко ослабить способность бактерий подплыть к поверхности и заселить ее, что приведет к образованию редких колоний.
Но некоторые результаты также были нелогичными. «Высокие скорости потока снижают вероятность проникновения плавающих бактерий в существующие колонии», - говорит Росси. «Чтобы расти в таких высоких потоках, отдельные клетки полагаются на непосредственное прикрепление дочерних клеток к своим материнским клеткам».
Более сильные потоки также разделили две популяции, что потенциально оказало значительное влияние на общую социальную динамику между живущими в биопленке бактериями.«Низкий и высокий поток действительно имеют значение для расположения и структуры биопленки», - говорит Персат. «Это показывает, что поток и, в более общем смысле, физическая среда биопленок могут влиять на эволюционную историю бактериального вида; это верно, по крайней мере, для разных бактериальных клонов, таких как те, которые мы использовали, но, скорее всего, это применимо к различным бактериальным виды."
«Биопленки - действительно увлекательная и важная грань микробной жизни», - заключает он. «Мы только сейчас понимаем, как физические принципы определяют их архитектуру и как это связано с физиологией и эволюцией бактерий.