Бактерии биопленок изобрели систему сдержек и противовесов

Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили среди бактерий сенной палочки (Bacillus subtilis), организованных в биопленки, разделение труда и кооперацию, подчиняющие «эгоистические» интересы отдельных бактерий во благо и процветание всей колонии. Работа опубликована в журнале Nature.

В ряде случаев, обычно при неблагоприятных условиях среды, многие виды бактерий образуют биопленку – протяженную колонию микроорганизмов. В биопленке отдельные клетки бактерий соединены друг с другом с помощью матрикса – специализированных белков, которые микроорганизмы выделяют во внешнюю среду. Важной особенностью биопленки является ее высокая устойчивость к антибиотикам и другим вредным для бактерий  химическим веществам. Иногда она может в десятки тысяч раз превышать устойчивость тех же самых микроорганизмов, но в виде суспензии в жидкой среде.

Дело в том, что часть бактерий в биопленке составляет ее внешний слой, а другая часть внутренний. При атаке извне, например, посредством антибиотиков, внешние микроорганизмы принимают на себя главный удар и подвергаются максимальному риску гибели, одновременно защищая собой бактерии внутреннего слоя. Однако периферическое положение не только опасно, но и очень выгодно, так как контактируя с окружающей средой бактерии могут свободно питаться и бесконтрольно размножаться.

Если бы бактерии действовали как «рациональные эгоистичные агенты», то так бы и происходило. В этом случае колония бы быстро разрасталась по периферии, а внутренний слой клеток погибал бы от голода, что в итоге приводило бы к разрушению биопленки. Тем не менее, обычно так не происходит – внутренний слой бактерий играет ключевую роль в шансах на выживании всей колонии в целом, так как после гибели внешнего слоя именно они заменяют «павших», не давая разрушить целостность биопленки и обеспечивая столь высокую ее устойчивость.

Чтобы ответить на вопрос, как бактериям в биопленке удается сохранить её целостность (несмотря на эгоистические интенции каждой отдельной клетки) исследователи создали двумерную модель колонии Bacillus subtilis в специальном микрофлюидном устройстве. В таких условиях колония бактерий могла расти только в двух измерениях, рост в толщину ограничивался стенками устройства. Таким образом удалось получить бактериальные сообщества, в которых количество питательных веществ у конкретной клетки зависит только от ее расстояния от центра колонии: чем дальше, тем их больше.

Оказалось, что в таких условиях рост колонии становится осциллирующим: фазы интенсивного расширения сменяются фазами покоя, причем рост происходит только на периферии, в то время как внутренние клетки колонии не делятся (но и не погибают). В ходе нескольких экспериментов с использованием различных источников азота (именно они определяли «бутылочное горлышко» скорости роста) ученые показали, что в биопленке внутренние клетки контролируют рост внешних, а внешние — рост внутренних. Внешние клетки транспортируют внутрь колонии глутамат из культуральной среды, а внутренние клетки поставляют внешним необходимый для его использования аммоний. Это ограничивает скорость роста внешнего слоя и ставить его под контроль слоя внутреннего.

Важно отметить, что, теоретически, внешние клетки могут преодолеть зависимость от внутренних и стать самодостаточными (но не наоборот). Однако заложенные в геноме механизмы не дают этому произойти быстро — именно это способствует выживанию колонии как целого.

Авторы отмечают, что раскрытие этого механизма взаимозависимости позволяет объяснить аномальную реакцию некоторых биопленок на антибиотики, когда их добавление в среду только усиливает рост колонии за счет гибели внешнего слоя клеток. Кроме того, исследование позволяет создать новую стратегию борьбы с бактериями, когда за счет специальных питательных веществ стимулируется интенсивный рост колонии, уничтожающий внутренний слой клеток, а затем внешний слой убивают с помощью традиционных антибиотиков.