Новое исследование доказало, что и бактерии, и люди строят свои колонии по схожим принципам и шаблонам.

Когда мы говорим о «колонии бактерий», то подразумеваем некоторое скопление микроорганизмов, существующих в едином пространстве. Однако чем больше исследователи изучают поведение удивительных представителей микромира, тем больше понимают, что мы с ними не так уж сильно отличаемся друг от друга.

Новое исследование, проведенное командой Хена Ку из Университета Пенсильвании, рассказывает о механизмах, благодаря которым отдельные бактерии формируют колонии. Ученые выявили закономерности и динамику роста колоний микробов, отражающих наше собственное поведение в городской среде.

«Мы наблюдали за сотнями бактерий от этапа расселения, когда все они были распределены на поверхности далеко друг от друга, до образования единой пленочной структуры. И мы заметили, как поразительно схожи пространственные структуры их роста и принципы, которым руководствуются люди при возведении поселений», пишут авторы.

Биопленка — это сложная структура, характерная для большинства прокариот в нашем мире. Они есть везде: это плотный, липкий осадок, который очень тяжело удалить. Если долго не будете чистить зубы, то биопленка начнет формироваться прямо у вас во рту.

Изучая пероральную бактерию Streptococcus mutans, исследователи продемонстрировали, что микробные клетки оседают случайным образом и независимо от типа поверхности. Тем не менее, часть колонизаторов фактически начинает образовывать кластеры, расширяя их масштабы «путем объединения соседних бактерий в густонаселенные микроколонии».

«Мы думали, что будет расти большинство отдельных бактерий. Но в итоге их фактическое число составляло менее 40 процентов, а остальные либо отмирали, либо поглощались ростом других микроколоний», пишут авторы.

Paula et al., Nature Communications, 2020Визуализация превращения отдельных бактерий в колонии

Как только возникают кластеры, происходит нечто действительно любопытное: они начинают взаимодействовать друг с другом, растут и объединяются в густонаселенные «микроколонии микронного масштаба, которые в дальнейшем расширяются и сливаются», образуя суперструктуру биопленки.

Такое сотрудничество интересно, так как в предыдущих исследованиях сообщалось о бактериальной конкуренции у других видов, особенно когда у них было мало питательных веществ.

В данном же случае питательные вещества влияли только на фактическое формирование колоний. После этого «отдельные микроколонии продолжали расти без сбоев до слияния друг с другом, а объединенные структуры вели себя и росли как единое новое гармонизированное сообщество», отмечают исследователи.

Выяснилось, что колонии могут сливаться, объединяться друг с другом для повышения шансов на выживание, а также активно конкурируют друг с другом. По мнению авторов, подобное поведение напоминает урбанизацию, когда небольшие группки переселенцев образуют колонии, которые становятся городами и в конце концов сливаются в один огромный мегаполис. «Важно отметить: мы не говорим, что бактерии ведут себя в точности как люди. При этом очевидно, что понимание основных принципов их жизнедеятельности поможет нам лучше справляться с инфекциями», заявляет Ку.

Посмотрите, как бактерии образуют колонии на языке человека

Ученые показали, как бактерии образуют колонии на языке человека с помощью флуоресцентной визуализации. Работа исследователей из Гарвардской школы стоматологии опубликовано в журнале Cell Reports.

Пероральный микробиом человека представляет собой сложную экосистему. Пространственная организация микробных сообществ во рту зависит от множества факторов, в том числе от температуры, влажности, кровотока в слюнных железах, pH, уровня кислорода и частоты нарушений, таких как проблемы с гигиеной полости рта.

Кроме того, колонии микробы влияют на своих соседей (такие же колонии), выступая в качестве источников и поглотителей метаболитов, питательных веществ и ингибирующих молекул. Таким образом, микробы могут физически исключать друг друга из желательных мест обитания, но также они могут присоединять к себе другие микробы.

В новом исследовании ученые составили карту распределения микробов на языке человека с помощью собственного метода комбинированной маркировки и спектральной визуализации. Он предполагает маркировку конкретного типа микробов несколькими флуорофорами — это позволяет увеличить количество видов миркобов, которые могут быть одновременно идентифицированы.

«Новшество нашего исследования заключается в том, что никто раньше не мог смотреть на биопленку на языке таким образом, чтобы различать различные бактерии и видеть, как они располагаются. До этого ученые использовали подходы, основанные на секвенировании ДНК, но чтобы получить последовательность, необходимо сначала разрушить образец. Этот процесс разрушает красивую пространственную структуру колоний бактерий. Мы можем сделать то же самое, не разрушая ее» 

Гэри Бориси, ведущий автор исследования 

В ходе исследования ученые выяснили, что бактериальные клетки прикрепляются к эпителию поверхности языка по отдельности или небольшими скоплениями. Во время роста колоний бактерии быстрее размножаются в микроокружении, которое поддерживает их физиологические потребности. Этот дифференциальный рост приводит к образованию мозаичной мозаики в более крупных и зрелых структурах.