Молекулярный Манхэттен: бактерии решили проблему идеального города миллиарды лет назад
NewsMakerЧто такое биопленки и как геометрия отдельных клеток диктует их форму?
На границе миров, где соленые волны омывают прибрежные камни, корни растений встречаются с почвой, а наши зубы соприкасаются со слюной, существуют удивительные микроскопические сущности. Речь идет о биопленках — тончайших сообществах микроорганизмов, занимающих промежуточное положение между одиночными клетками и полноценными многоклеточными созданиями.
Эти загадочные структуры способны на поразительные метаморфозы. То, что зарождается как россыпь независимых микроорганизмов, постепенно объединяется в одну сложную систему. При возникновении угрозы такое сообщество может мгновенно распасться на составные части, подобно живому конструктору, чтобы позже вновь воссоединиться.
Питер Юнкер (на фото ниже), биофизик из Технологического института Джорджии, задался целью понять, каким образом взаимодействие отдельных бактерий порождает сложнейшую архитектуру микробных сообществ и как фундаментальные законы физики — от особенностей клеточного метаболизма до принципов распространения питательных веществ — определяют судьбу таких колоний.
Процесс формирования биопленки напоминает удивительный спектакль. Изначально гладкая поверхность бактериального слоя начинает пульсировать, вздыматься и опускаться. Постепенно возникают замысловатые узоры из складок и впадин — кажется, будто микроскопическое существо дышит.
Преимуществ у совместного существования очень много. В первую очередь в группе микроорганизмы эффективнее усваивают питательные вещества, распределяя добытые ресурсы между собой. Плотное соседство защищает от множества опасностей: ультрафиолетового излучения, токсичных химических веществ, обезвоживания. Как отмечает Иньяки Руис Трильо , эволюционный биолог из Каталонского института перспективных исследований, "в самой природе клеток заложена способность к кооперации".
Однако жизнь в тесном сообществе предполагает и серьезные проблемы (всё как у людей). С увеличением численности населения доставка необходимых ресурсов к каждой клетке становится все более сложной задачей. Наружные слои поглощают основную часть кислорода и питательных веществ, оставляя внутренние области на голодном пайке. Исследования микробиолога Ларса Дитриха из Колумбийского университета показали: даже на глубине всего 50 микрометров — это толщина примерно 20-50 клеточных слоев — концентрация кислорода падает практически до нуля.
В лаборатории Дитриха исследователи наблюдали за ростом бактерий Pseudomonas aeruginosa, помещенных на питательный агаровый гель в чашке Петри. День за днем крошечная белая колония, изначально размером с типографскую точку, увеличивалась в размерах. А затем произошла неожиданная трансформация: вместо того чтобы просто расти равномерным кругом, поверхность бактериального сообщества начала деформироваться. На гладком прежде "ландшафте" возникли складки и морщины, создавая причудливый рельеф, похожий на миниатюрную копию коры головного мозга.
Изменение состава питательной среды приводило к формированию совершенно разных узоров. Добавление нового источника сахара, уменьшение концентрации белка или повышение солености — каждая модификация порождала уникальный микрорельеф. Под электронным микроскопом открывалась впечатляющая картина: миллиарды отдельных бактерий выстраивались в сложную систему вертикальных колонн, образуя своеобразный живой небоскреб. Вот примеры некоторых метаморфозов:
Многоэтажная структура демонстрирует удивительную адаптацию к различным условиям существования. Верхние "этажи" получают достаточно кислорода из воздуха, тогда как нижние ярусы практически полностью лишены его. Но вместо того чтобы погибнуть, бактерии научились использовать эти различия себе во благо. Часть популяции переходит на анаэробное дыхание, другие представители замедляют темп размножения. Параллельно с этим трансформируется химический состав межклеточного матрикса — той удивительной субстанции, что связывает микроорганизмы воедино.
Бактерии выстраиваются особым образом, формируя систему микроканалов и полостей для эффективного распределения питательных веществ. Таким образом каждое звено независимо от своего расположения получает всё необходимое для жизни.
Питер Юнкер подошел к изучению геометрии биопленок с позиции физика. Его опыт исследования коллоидов — веществ, где мельчайшие частицы распределены в другой среде, как в желе или тумане, — позволил увидеть новые закономерности. В коллоидах, как и в биопленках, поведение системы определяется двумя противоборствующими силами: отталкиванием (физической невозможностью двум частицам занимать одно пространство) и притяжением (в случае бактерий оно обеспечивается специальными белками на их поверхности).
Развитие биопленки удивительным образом напоминает рост современных мегаполисов. Юнкер приводит наглядный пример: в Хьюстоне и нью-йоркском районе Куинс проживает примерно одинаковое количество людей — около 2,3 миллиона. Однако из-за разных условий эти поселения развиваются совершенно по-разному. Хьюстон, располагая обширными территориями, растет вширь. Куинс, зажатый водой и соседними районами, вынужден расти вверх. Точно так же бактериальные сообщества должны находить оптимальный баланс между горизонтальным и вертикальным развитием.
Для точного измерения происходящих изменений применили интерферометрию белого света. Эта технология позволяет фиксировать мельчайшие изменения рельефа с точностью до миллиардных долей метра, создавая своеобразную топографическую карту поверхности. В качестве объекта наблюдения выбрали холерный вибрион (Vibrio cholerae) — микроорганизм, известный своей способностью формировать устойчивые сообщества.
В первые часы развития колония принимает форму выпуклой линзы. Однако такая геометрия оказывается недолговечной: по мере утолщения этой микроскопической структуры возникает проблема с распределением ресурсов. Верхние слои начинают испытывать нехватку питательных веществ, не способных пробиться через всю толщу структуры, тогда как нижние страдают от дефицита кислорода.
Положение осложняется тем, что в отличие от свободноживущих микроорганизмов, способных мигрировать в поисках благоприятных условий, обитатели центральной части колонии оказываются в своеобразной ловушке. Межклеточное вещество, словно клей, удерживает их на месте. В условиях дефицита ресурсов темп размножения в центре замедляется, что приводит к искажению первоначальной формы линзы. При этом наблюдается интересный феномен: внешняя кромка сохраняет свою изначальную конфигурацию, задавая параметры для образования принципиально новой архитектуры.
Определяющим фактором становится угол соприкосновения края с поверхностью. Его градус зависит от трех ключевых параметров: плотности распределения микроорганизмов по периметру, силы их сцепления с субстратом (обусловленной особенностями межклеточного вещества) и морфологических особенностей самих бактерий. При прочном сцеплении с поверхностью образуется более крутой угол, и колония устремляется вверх. Если же силы сцепления невелики, угол становится более пологим, и сообщество как бы растекается, подобно капле воды.
Представьте: каждая клетка в организме, будь то растение или животное, постоянно обменивается сигналами с соседями. Эти микроскопические взаимодействия в конечном итоге определяют, как будет выглядеть все живое существо — его размер, форму, внутреннюю организацию. Расшифровав "язык" клеток, биологи смогут не только понять, как формируются ткани и органы, но и предвидеть отклонения в развитии еще до их появления. На практике это знание здорово продвинет медицину, биоинженерию и регенеративную терапию.
На границе миров, где соленые волны омывают прибрежные камни, корни растений встречаются с почвой, а наши зубы соприкасаются со слюной, существуют удивительные микроскопические сущности. Речь идет о биопленках — тончайших сообществах микроорганизмов, занимающих промежуточное положение между одиночными клетками и полноценными многоклеточными созданиями.
Эти загадочные структуры способны на поразительные метаморфозы. То, что зарождается как россыпь независимых микроорганизмов, постепенно объединяется в одну сложную систему. При возникновении угрозы такое сообщество может мгновенно распасться на составные части, подобно живому конструктору, чтобы позже вновь воссоединиться.
Питер Юнкер (на фото ниже), биофизик из Технологического института Джорджии, задался целью понять, каким образом взаимодействие отдельных бактерий порождает сложнейшую архитектуру микробных сообществ и как фундаментальные законы физики — от особенностей клеточного метаболизма до принципов распространения питательных веществ — определяют судьбу таких колоний.
Процесс формирования биопленки напоминает удивительный спектакль. Изначально гладкая поверхность бактериального слоя начинает пульсировать, вздыматься и опускаться. Постепенно возникают замысловатые узоры из складок и впадин — кажется, будто микроскопическое существо дышит.
Наука совершает ошибку, концентрируясь исключительно на скорости размножения клеток, — утверждает Юнкер. В своей лаборатории ученые разработали метод создания детальных топографических карт растущих микробных поселений. Это позволило проследить, как миллионы взаимодействий между бактериями и окружающей средой формируют окончательную структуру.Значение этих исследований выходит далеко за рамки изучения одной из самых распространенных форм жизни на Земле. Они приоткрывают завесу тайны над древнейшими процессами эволюции, когда миллиарды лет назад простейшие организмы впервые начали объединяться в сложные многоклеточные формы.
Законы физики сыграли определяющую роль в возникновении многоклеточности, — подчеркивает Стюарт Ньюман , специалист по биофизике развития из Нью-Йоркского медицинского колледжа.Объединение микроорганизмов в сообщества происходит не из стремления избежать одиночества, а ради весомых эволюционных преимуществ. Статистика впечатляет: от 40 до 80 процентов всех прокариот существуют именно в форме биопленок. Закрепившись на твердой поверхности, бактерии вырабатывают особый сахаристый секрет, напоминающий клейкую слизь. Защитный матрикс не только скрепляет микроорганизмы друг с другом, но и прочно прикрепляет их к субстрату.
Преимуществ у совместного существования очень много. В первую очередь в группе микроорганизмы эффективнее усваивают питательные вещества, распределяя добытые ресурсы между собой. Плотное соседство защищает от множества опасностей: ультрафиолетового излучения, токсичных химических веществ, обезвоживания. Как отмечает Иньяки Руис Трильо , эволюционный биолог из Каталонского института перспективных исследований, "в самой природе клеток заложена способность к кооперации".
Однако жизнь в тесном сообществе предполагает и серьезные проблемы (всё как у людей). С увеличением численности населения доставка необходимых ресурсов к каждой клетке становится все более сложной задачей. Наружные слои поглощают основную часть кислорода и питательных веществ, оставляя внутренние области на голодном пайке. Исследования микробиолога Ларса Дитриха из Колумбийского университета показали: даже на глубине всего 50 микрометров — это толщина примерно 20-50 клеточных слоев — концентрация кислорода падает практически до нуля.
В лаборатории Дитриха исследователи наблюдали за ростом бактерий Pseudomonas aeruginosa, помещенных на питательный агаровый гель в чашке Петри. День за днем крошечная белая колония, изначально размером с типографскую точку, увеличивалась в размерах. А затем произошла неожиданная трансформация: вместо того чтобы просто расти равномерным кругом, поверхность бактериального сообщества начала деформироваться. На гладком прежде "ландшафте" возникли складки и морщины, создавая причудливый рельеф, похожий на миниатюрную копию коры головного мозга.
Изменение состава питательной среды приводило к формированию совершенно разных узоров. Добавление нового источника сахара, уменьшение концентрации белка или повышение солености — каждая модификация порождала уникальный микрорельеф. Под электронным микроскопом открывалась впечатляющая картина: миллиарды отдельных бактерий выстраивались в сложную систему вертикальных колонн, образуя своеобразный живой небоскреб. Вот примеры некоторых метаморфозов:
Многоэтажная структура демонстрирует удивительную адаптацию к различным условиям существования. Верхние "этажи" получают достаточно кислорода из воздуха, тогда как нижние ярусы практически полностью лишены его. Но вместо того чтобы погибнуть, бактерии научились использовать эти различия себе во благо. Часть популяции переходит на анаэробное дыхание, другие представители замедляют темп размножения. Параллельно с этим трансформируется химический состав межклеточного матрикса — той удивительной субстанции, что связывает микроорганизмы воедино.
Бактерии выстраиваются особым образом, формируя систему микроканалов и полостей для эффективного распределения питательных веществ. Таким образом каждое звено независимо от своего расположения получает всё необходимое для жизни.
Питер Юнкер подошел к изучению геометрии биопленок с позиции физика. Его опыт исследования коллоидов — веществ, где мельчайшие частицы распределены в другой среде, как в желе или тумане, — позволил увидеть новые закономерности. В коллоидах, как и в биопленках, поведение системы определяется двумя противоборствующими силами: отталкиванием (физической невозможностью двум частицам занимать одно пространство) и притяжением (в случае бактерий оно обеспечивается специальными белками на их поверхности).
Развитие биопленки удивительным образом напоминает рост современных мегаполисов. Юнкер приводит наглядный пример: в Хьюстоне и нью-йоркском районе Куинс проживает примерно одинаковое количество людей — около 2,3 миллиона. Однако из-за разных условий эти поселения развиваются совершенно по-разному. Хьюстон, располагая обширными территориями, растет вширь. Куинс, зажатый водой и соседними районами, вынужден расти вверх. Точно так же бактериальные сообщества должны находить оптимальный баланс между горизонтальным и вертикальным развитием.
Каждая клетка в конкретный момент времени может находиться только в одном месте, — поясняет ученый. — Чем активнее происходит рост вверх на периферии биопленки, тем меньше возможностей остается для расширения территории.Чтобы раскрыть механизмы формирования сложных структур, исследователи обратили особое внимание на периферию бактериального сообщества. Именно здесь, на границе колонии, происходят наиболее активные процессы роста и деления, определяющие дальнейшую архитектуру всей системы.
Для точного измерения происходящих изменений применили интерферометрию белого света. Эта технология позволяет фиксировать мельчайшие изменения рельефа с точностью до миллиардных долей метра, создавая своеобразную топографическую карту поверхности. В качестве объекта наблюдения выбрали холерный вибрион (Vibrio cholerae) — микроорганизм, известный своей способностью формировать устойчивые сообщества.
В первые часы развития колония принимает форму выпуклой линзы. Однако такая геометрия оказывается недолговечной: по мере утолщения этой микроскопической структуры возникает проблема с распределением ресурсов. Верхние слои начинают испытывать нехватку питательных веществ, не способных пробиться через всю толщу структуры, тогда как нижние страдают от дефицита кислорода.
Положение осложняется тем, что в отличие от свободноживущих микроорганизмов, способных мигрировать в поисках благоприятных условий, обитатели центральной части колонии оказываются в своеобразной ловушке. Межклеточное вещество, словно клей, удерживает их на месте. В условиях дефицита ресурсов темп размножения в центре замедляется, что приводит к искажению первоначальной формы линзы. При этом наблюдается интересный феномен: внешняя кромка сохраняет свою изначальную конфигурацию, задавая параметры для образования принципиально новой архитектуры.
Определяющим фактором становится угол соприкосновения края с поверхностью. Его градус зависит от трех ключевых параметров: плотности распределения микроорганизмов по периметру, силы их сцепления с субстратом (обусловленной особенностями межклеточного вещества) и морфологических особенностей самих бактерий. При прочном сцеплении с поверхностью образуется более крутой угол, и колония устремляется вверх. Если же силы сцепления невелики, угол становится более пологим, и сообщество как бы растекается, подобно капле воды.
Мы считаем, что обнаружили универсальный природный механизм, — размышляет Юнкер. — Когда простые клеточные сообщества вступают во взаимодействие, у них проявляются новые физические свойства, которые, в свою очередь, часто имеют важнейшие биологические последствия.Изучение принципов формирования биопленок открывает перед учеными захватывающие перспективы. Понимание того, как отдельные клетки влияют друг на друга и вместе создают сложные структуры, может стать ключом к разгадке фундаментальных процессов развития живых организмов.
Представьте: каждая клетка в организме, будь то растение или животное, постоянно обменивается сигналами с соседями. Эти микроскопические взаимодействия в конечном итоге определяют, как будет выглядеть все живое существо — его размер, форму, внутреннюю организацию. Расшифровав "язык" клеток, биологи смогут не только понять, как формируются ткани и органы, но и предвидеть отклонения в развитии еще до их появления. На практике это знание здорово продвинет медицину, биоинженерию и регенеративную терапию.