Биопленки можно встретить практически везде - от налета на зубах до отложений на поверхности водоемов.
Эти колонии бактерий растут на имплантированных медицинских устройствах, на нашей коже, контактных линзах, в наших кишечнике и легких. Их можно найти в канализации и дренажных системах, на поверхности растений и даже в океане. «В некоторых исследованиях говорится, что 80% инфекций в организме человека могут быть вызваны бактериями, растущими в биопленках», - говорит Ааваз Похрел, аспирант Технологического института Джорджии и ведущий автор нового исследования, в котором с помощью физики изучается, как растут биопленки.
Работа «Биофизические основы роста бактериальных колоний» была опубликована в журнале Nature Physics на прошлой неделе. Она показывает, что рост биопленки - ее способность расширяться и поглощать питательные вещества из среды или субстрата - в значительной степени зависит от угла контакта, который образует край биопленки с субстратом. Исследование также показало, что эта геометрия оказывает большее влияние на приспособленность, чем что-либо другое, включая скорость размножения клеток.
«Это стало для нас большим сюрпризом», - говорит соавтор работы Питер Юнкер, доцент физического факультета Технологического института Джорджии. «Мы ожидали, что геометрия будет играть важную роль, и думали, что точное выяснение геометрии будет важно для понимания того, почему, например, скорость расширения ареала [скорость, с которой биопленка распространяется по поверхности с течением времени] постоянна. Но мы не думали, что геометрия будет самым важным фактором».
Понимание того, как растут биопленки и какие факторы влияют на скорость их роста, может привести к важнейшим идеям по их контролю, что может найти применение в здравоохранении, например, замедлить распространение инфекции или создавать более безопасные поверхности. Юнкер рассказывает: «Меня очень заинтересовала возможность использовать физику для изучения сложных биологических систем. Особенно в проекте, который может иметь так много приложений. Сочетание важности для здоровья человека и увлекательного исследования меня очень заинтриговало».
Хотя биопленки повсеместно распространены в природе, их изучение оказалось сложным. Поскольку эти «города микроорганизмов» состоят из крошечных особей, ученым их визуализировать. Ситуация изменилась в 2015 году, когда Юнкер задумался о том, можно ли применить интерферометрию, широко используемую в физике и материаловедении, к биопленкам. «Учитывая мое образование в области физики, я был знаком с ее использованием в материаловедении», - вспоминает Юнкер. «Я подумал, что применение этой технологии в более широком смысле может быть интересным, поскольку из физики мы знаем, что поверхностные интерфейсы содержат много информации о процессах, которые их создают. Техника оказалась простой, эффективной и экономичной по времени, обеспечивая нанометровое разрешение бактериальных колоний. Она позволила нам получить изображение топографии - формы поверхности бактериальной популяции - с суперразрешением», - добавляет он.
Используя интерферометрию, исследователи начали проводить новые эксперименты с биопленками, изучая, как меняется форма колоний с течением времени. Юнкер заметил, что каждая колония имеет специфическую форму, когда она маленькая: сферическая крышка, похожая на срез вершины сферы или каплю воды. Такая форма часто встречается в физике, что и вызвало интерес у авторов. «Сферическая крышка в физике очень интересна, потому что это форма, минимизирующая поверхность», - поясняет Юнкер. «Мне было интересно, почему биологический материал растет именно так, и мы начали думать, есть ли в этом какая-то физика - возможно, здесь замешана геометрия. И это навело нас на мысль, что, возможно, мы сможем разработать модель».
Однако вскоре исследователи наткнулись на препятствие. «Хотя сначала мы видели, что колонии представляют собой сферические крышки, по мере роста они отклонялись от этой формы», - рассказывает Юнкер. «А форму, в которую они превращались, было трудно описать с помощью существующей геометрии сферических крышек. Середина росла не так быстро, как должна, чтобы сохранить сферическую форму колпачка, и мы хотели связать все это с расширением ареала [скоростью распространения колонии по поверхности]», - добавляет он. «Но мы знали, что геометрия каким-то образом играет очень важную роль».
Наконец Юнкер предложил причудливую геометрическую форму, названную им кольцом из салфетки. «Как только мы начали думать о проблеме кольца из салфетки, мы смогли приступить к разработке математического инструментария», - говорит Юнкер, хотя решение не было простым. «Мы не смогли найти никого, кто когда-либо рассматривал сферическое кольцо из салфеток, потому что это очень редкая задача». Юнкер вместе с двумя соавторами занимался разработкой геометрии. Он обнаружил, что клетки растут по экспоненте у края формы, расширяясь дальше на носитель, в то время как клетки в центре растут вверх, создавая форму, напоминающую яйцо на сковороде - если белок яйца расширяется наружу, а желток становится только выше.
Это и стало прорывным открытием: поскольку клетки в середине только способствовали росту биопленки, авторам нужно было лишь учесть, сколько клеток находится на краю биопленки и в какой форме они должны быть, чтобы расти и распространяться. Включив полученные данные в математическую модель, исследователи обнаружили, что наиболее важным фактором является угол контакта: угол, под которым край биопленки касался поверхности на которой она растет. Это единственное геометрическое качество даже более важно для роста биопленки, чем скорость, с которой она может воспроизводить клетки.
В целом проект занял более трех лет - от замысла до публикации. «Это были долгие годы и много-много экспериментов. Но конечный результат на 100% оправдал себя», - говорит Юнкер.
Участники работы надеются, что исследование проложит путь для будущих исследований, которые могут привести к созданию таких прикладных задач, как контроль роста биопленок для предотвращения инфекций. «В будущем у нас еще много возможностей для исследований», - считает Юнкер. «Например, эксперименты по конкуренции между биопленками - меняют ли более крупные колонии угол контакта, чтобы быстрее распространяться? Какую роль играет эта геометрия в конкуренции?»
«Биология сложна, - отмечает Юнкер."В природе поверхность, на которой растет биопленка, может быть не такой однородной, как в лаборатории, а колонии могут иметь различные мутации или состоять из нескольких видов. Но сначала нам нужно было понять, что происходит, когда температура и наличие питательных веществ стабильны». И хотя модель основана на том, как биопленки ведут себя в контролируемой лабораторной среде, это первый важный шаг к пониманию того, как они могут вести себя в естественных условиях.
