Биологическая эволюция в биопленке - скоплении микроорганизмов, прилипающих к поверхности, может быть нежелательной, приводя к резистентности к антибиотикам или нарушению работы генетически созданных бактериальных сообществ, используемых в промышленности.
Бактериальные биопленки представляют собой конгломераты клеток, связанных между собой внеклеточным матриксом, содержащим такие соединения, как полисахариды и нуклеиновые кислоты. Биопленки широко распространены в природных экосистемах и играют важнейшую роль в медицине и технике. Во всех этих контекстах возникновение новых генетических вариантов представляет собой проблему. Например, клетки в биопленке могут приобретать резистентность к антибиотикам с помощью различных механизмов, включая генетические мутации de novo и горизонтальный перенос генов.
На рост и динамику популяции биопленок влияют биохимические сигналы, конкуренция, кооперация, гибель клеток и механические взаимодействия. В частности, роль взаимодействий клетка-клетка и клетка-поверхность в образовании новых вариантов была изучена в экспериментальных и теоретических исследованиях колоний, растущих на поверхности агарозного геля. В таких колониях бактерии в основном реплицируются на расширяющемся фронте из-за истощения питательных веществ и накопления отходов в центре. Когда на фронте возникает новый мутант, он либо "плывет" вдоль наступающего фронта и образует клональный кластер, который расширяется на новую территорию, либо его опережают соседние клональные популяции, и он проигрывает конкуренцию за питательные вещества. Вероятность распространения нового варианта зависит от взаимодействия механических взаимодействий между бактериальными клетками и субстратом, а также от жизнеспособности варианта по сравнению с родительским штаммом. Эти выводы справедливы и для трехмерных плотных биопленок, которые состоят из растущего активного слоя и покоящейся массы.
В естественных условиях биопленки часто растут на неплоских поверхностях, таких как скалы и подводные камни, трубопроводы, минерализованная поверхность мочевых катетеров, поры человеческой кожи, пористые гранулы в водоочистных сооружениях, морской снег и крипты толстой кишки. Недавняя работа по изучению колоний бактерий, растущих на шероховатом агаре, показала, что отбор снижается, а нейтральный дрейф увеличивается по сравнению с ростом на плоском агаре. Аналогичный эффект был получен при размещении препятствий на пути растущей колонии. Клональная динамика также нарушается в колониях, сталкивающихся с физическими барьерами во время экспансии. Однако эти исследования в основном посвящены квазидвумерным колониям, растущим параллельно шероховатой поверхности, что не учитывает перпендикулярный рост трехмерных биопленок. Экспериментальные и in silico исследования влияния неровностей поверхности на динамику популяции биопленки практически отсутствуют.
В данном исследовании мы показали, что форма поверхности, на которой растет биопленка, влияет на генетический дрейф и отбор внутри биопленки. Мы культивировали биопленки Escherichia coli в микроячейках с рифленой поверхностью дна и наблюдали появление клональных секторов, размер которых соответствовал размеру рифлей, несмотря на отсутствие физического барьера, разделяющего различные области биопленки. Сектора удивительно стабильны и не вторгаются друг в друга; мы связываем эту стабильность с характеристиками поля скоростей внутри биопленки, которое препятствует перемешиванию и клональной экспансии.
Микроскопически детализированная компьютерная модель полностью воспроизводит эти результаты и подчеркивает роль механических взаимодействий, таких как адгезия и трение, в эволюции микроорганизмов. Модель также предсказывает ограничение клональной экспансии даже для клонов со значительным преимуществом в росте, что мы подтверждаем экспериментально, используя смесь чувствительных к антибиотикам и резистентных к ним мутантов в присутствии сублетальных концентраций антибиотика рифампицина. Сильное подавление отбора резко контрастирует с поведением, наблюдаемым в экспериментах по расширению ареала в колониях бактерий, выращенных на агаре.
Наши результаты свидетельствуют о том, что динамика популяции бактерий в биопленке может контролироваться путем манипулирования геометрией поверхности. Это может быть использовано для ограничения экспансии нежелательных генетических вариантов; мы продемонстрировали это на примере мутанта, резистентного к антибиотикам. Преходящее воздействие антибиотиков на суб-МИК не является редкостью и может привести к возникновению резистентности. Однако требуются дальнейшие исследования, чтобы выяснить, можно ли использовать поверхностное структурирование для медицинских устройств, таких как катетеры или имплантаты, которые подвержены распространению биопленок. Аналогичные стратегии также могут быть использованы для стабилизации сконструированных бактериальных сообществ, в частности, для использования в биосенсинге или биоремедиации, где различные экотипы бактерий часто должны сосуществовать вместе, а мутации в синтетических генных сетях, возникающие в таких сообществах, должны быть подавлены.
Наши результаты позволяют предложить пассивный метод сдерживания распространения нежелательных мутаций в биопленках, что имеет ценное значение как для медицины, так и для промышленности.
