В процессе одновременного роста множества клеток неизбежно формируются химические градиенты, приводящие к образованию отдельных субзон с различной доступностью ресурсов в клеточных агрегатах.
Условия в этих субзонах важны, поскольку способствуют физиологической дифференциации, в свою очередь влияя на морфогенез, метаболическую активность и чувствительность к лекарственным препаратам. Таким образом, возможности поглощения и транспорта субстратов являются важнейшими характеристиками клеточного агрегата, которые связаны со структурным развитием и нашей способностью лечить заболевания, при этом эти процессы контролируются различными механизмами в различных многоклеточных структурах и организмах.
Преобладающей многоклеточной структурой микробного мира является биопленка - совокупность клеток, прикрепленных друг к другу и заключенных в самовоспроизводящийся матрикс. Биопленки часто образуются на границах раздела фаз и подвержены резким внешним и внутренним химическим градиентам, что ставит вопрос о том, как эффективно распределяются ресурсы внутри этих структур. Исследования различных микроорганизмов показали, что в контролируемых условиях их биопленки проходят воспроизводимые этапы морфогенеза, создавая характерные физические структуры в макроскопическом и/или микроскопическом масштабе. Поэтому, хотя некоторые данные свидетельствуют о том, что пассивная диффузия через матрикс является важным механизмом распределения ресурсов в биопленках, популяции биопленок также способны влиять на поглощение и транспорт, изменяя формирование структуры и микроанатомию биопленки.
Влияние на поглощение и транспорт определяет доступность питательных веществ и акцепторов электронов и, таким образом, напрямую влияет на метаболическую активность, физиологический статус и выживание в биопленке. Однако способность крупных и мелких субстратов проникать в биопленку и перемещаться по ней также влияет на экологию биопленки, макроструктуру и чувствительность к антимикробным препаратам. На экологию и макроструктуру биопленки влияет и то, что способность относительно крупных частиц, таких как другие микробы и осадочные частицы, проникать в биопленку определяется ее анатомией.
С другой стороны, анатомия биопленки может влиять на чувствительность к антимикробным препаратам двумя способами:
(i) через прямое влияние на способность антимикробных соединений проникать в биопленку и распределяться в ней;
и (ii) через влияние на доступ к ресурсам и, таким образом, физиологический статус, который определяет чувствительность к антимикробным препаратам, поскольку многие из этих соединений либо требуют затрат клеточной энергии, чтобы пересечь мембрану, либо действуют на такие процессы, как синтез белка или клеточной стенки.
В данном исследовании мы изучили клеточную анатомию макроколоний, образованных бактериями Pseudomonas aeruginosa, которые являются одной из основных причин биопленочных и хронических инфекций у людей с ослабленным иммунитетом. Мы обнаружили, что биопленки P. aeruginosa содержат вертикально расположенные зоны, различающиеся по ориентации клеток и близости родственных клеток. Генетический анализ и микроскопическая визуализация позволили нам идентифицировать компоненты клеточной поверхности, необходимые для такого расположения.
Важно отметить, что эти подходы также показали, что ориентация клеток влияет на поглощение и распределение субстрата по биопленке. Дополнительный анализ с помощью микроскопии стимулированного комбинационного рассеяния (SRS) и анализа гибели клеток выявил корреляции между субзонами расположения клеток, физиологическим статусом и чувствительностью к лечению антибиотиками. В совокупности эти данные связывают микроанатомию с метаболической дифференциацией - и ее последствиями для выживания и резистентности к лекарственным препаратам - в созревающих биопленках.
