Микробные сообщества населяют каждую экосистему на Земле, от почвы до рек и человеческого кишечника. В то время как в лабораториях часто существуют моноклональные культуры, в реальном мире в одном и том же пространстве обитает множество различных видов микробов. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что когда определенные микробы объединяются в пары, появляются потрясающие цветочные узоры.
В статье, опубликованной в недавнем выпуске eLife, группа исследователей из Института биосхем Калифорнийского университета в Сан-Диего (BCI) и факультета физики под руководством научного сотрудника и заместителя директора BCI Льва Цимринга сообщает, что когда не- подвижный Е.coli (Escherichia coli) помещают на поверхность агара вместе с подвижной A.baylyi (Acinetobacter baylyi), кишечная палочка «ловит волну» на фронте разрастающейся колонии A.baylyi.
Агар служил пищей для бактерий, а также поверхностью, по которой кишечная палочка не могла легко двигаться (что делало ее неподвижной). A. baylyi, с другой стороны, может легко ползать по агару, используя микроскопические ножки, называемые пили. Таким образом, капля чистой кишечной палочки едва ли распространится за 24 часа, а капля чистой A.baylyi покроет всю площадь чашки Петри.
Тем не менее, когда E. coli и A. baylyi были смешаны вместе в исходной капле, оба штамма процветали и распространялись по всей территории, поскольку неподвижная E. coli присоединялась к высокоподвижной A. baylyi.. Однако, что больше всего удивило исследователей, так это замысловатые цветочные узоры, которые появлялись в растущей колонии в течение 24 часов.
На самом деле мы смешивали эти два вида бактерий для другого проекта, но однажды утром я обнаружил загадочный узор в виде цветка в чашке Петри, куда днем ранее я поместил каплю смеси. Красота узора поразила меня, и я начал задаваться вопросом, как бактериальные клетки могут взаимодействовать друг с другом, чтобы стать художниками», - сказал Лиян Сюн, доктор философии 19 года, который был аспирантом физического факультета и руководит автор исследования.
Чтобы выяснить, как формировались цветочные узоры, Xiong et al. разработали математические модели, учитывающие различные физические свойства двух штаммов, в первую очередь различия в скорости их роста, подвижности и эффективном трении о поверхность агара. Теоретический и расчетный анализ показал, что формирование паттерна начинается на расширяющейся границе колонии, которая становится неустойчивой из-за сопротивления, оказываемого скапливающимися там кишечными палочками.
В областях, где меньше скоплений кишечной палочки, меньше трения, что позволяет быстрее раздвигать границы. В областях, где наблюдается большее скопление кишечной палочки и большее трение, границы стагнируют. Это то, что создает «лепестки» цветка.
Дальнейший анализ предполагает, что этот тип паттерна, как ожидается, будет формироваться, когда подвижные бактерии смешиваются с неподвижным штаммом, который имеет достаточно более высокую скорость роста и/или эффективное поверхностное трение, что может иметь важное значение при изучении растущих биопленок..
Биопленки представляют собой сообщества микроорганизмов, в том числе бактерий и грибков, которые прилипают друг к другу и к поверхностям, создавая прочные матрицы, которые трудно разрушить. Общие примеры включают зубной налет и прудовую пену. Они также растут в медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы и катетеры. Изучение того, как неподвижные бактерии могут «прилипать» к подвижным бактериям, может дать представление о том, как формируются биопленки и как их можно устранить.
«Формирование бактериального паттерна было активной областью исследований в последние несколько десятилетий, - сказал Лев Цимринг, - однако большинство лабораторных исследований и теоретических моделей были сосредоточены на динамике колоний одного штамма. Большинство бактерий в естественной среде обитания живут в мультиштаммовых сообществах, и исследователи, наконец, начинают искать механизмы, контролирующие их совместное проживание. Хотя был идентифицирован ряд биохимических механизмов межвидовой коммуникации и сотрудничества, мы обнаружили, что удивительная сложность может быть результатом чисто физических механизмов взаимодействия».