Бактериальные биопленки могут образовывать концентрические кольца, содержащие клетки с различными биологическими особенностямиБактериальные биопленки могут образовывать концентрические кольца, содержащие клетки с различными биологическими особенностями
Бактериальные биопленки имеют уровень структурной организации, который, как считалось, присущ только растениям и животным.
Биопленки, образуемые бактериями и грибами, долгое время считались биологически простыми, с примитивным уровнем структурной организации. Это контрастирует со многими многоклеточными организмами, включая животных, в которых клетки могут приобретать различные формы в разное время и в разных местах во время развития организма, создавая сложные и разнообразные биологические структуры.
Гюрол Зюэль из Калифорнийского университета в Сан-Диего и его коллеги обнаружили, что бактериальные биопленки не так просты, как считалось ранее. Исследователи установили, что биопленки образуют кольцеобразные структуры по мере роста и потребления питательных веществ в окружающей среде. По мере уменьшения запасов питательных веществ некоторые клетки, по сути, застывают во времени с точки зрения их функционирования, поскольку волна истощения питательных веществ накрывает их. Это явление известно как "часы и волновой фронт", и ранее оно наблюдалось только у животных и растений.
Зюэль и его коллеги сделали это открытие в ходе эксперимента по изучению реакции биопленки Bacillus subtilis на недостаток жизненно важного азота. Обычно это заставляет бактериальные клетки изменяться и становиться более жизнеспособными в процессе адаптации, называемой споруляцией.
Рис. по: Kwang-Tao Chou et al. A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm
Но исследователи смогли продемонстрировать, что вместо того, чтобы все клетки биопленки адаптировались одинаково, гены, снижающие стресс, вырабатываемые биопленкой, заставляли адаптироваться только некоторые клетки, создавая концентрические кольца в биопленке приблизительно округлой формы. Такая кольцеобразная структура соответствует механизму "часы и волновой фронт" (см. рисунок выше).
"Если мы думаем, что [биопленки] - это просто шарики бактериальных клеток, даже если они принадлежат одному виду, мы ошибаемся", - говорит Зюэль.
"Они высокоорганизованны, и организованы очень нетривиальным образом. Эта организация напоминает то, что происходит у позвоночных и растений во время развития, так что здесь должна быть какая-то связь".
Хотя исследование было сосредоточено только на наблюдении за паттернами, Зюэль предполагает, что паттерны могут быть следствием того, что биопленка диверсифицирует свои жизнестойкие клетки, пытаясь увеличить свои шансы на выживание. Несмотря на то, что в последние годы было показано, что биопленки могут быть более сложными, способными к формам памяти и коммуникации на большие расстояния, открытие сложных структур может поставить под сомнение предполагаемое разделение между простыми одноклеточными организмами и сложными многоклеточными.
"Эти дебаты будут возобновлены благодаря данному исследованию", - говорит Танмай Бхарат из Оксфордского университета. "С точки зрения эволюционной клеточной биологии было бы интересно изучить, в чем заключаются различия. Что определяет истинный многоклеточный организм?".
Биопленки также ответственны за широкий спектр природных явлений, как хороших, так и плохих. Они могут использоваться в фильтрации воды и для предотвращения коррозии, но они также являются ведущей причиной клинических инфекций. Понимание истинной структуры, лежащей в основе бактериальных пленок, может изменить способы их использования и борьбы с ними.
