Описан процесс формирования бактериальной биопленки

Самоорганизация множества бактериальных клеток позволяет им лучше адаптироваться и реагировать на стрессы, чем одиночным клеткам. Механизм этого процесса пока не изучен. Ученые из Великобритании исследовали поведение бактерий Bacillus subtilis под действием антибиотика канамицина и других стрессоров.

Бактерии B. subtilis поместили в полужидкую среду с градиентом канамицина, в которой бактерии могли свободно перемещаться. Через два часа они образовали быстро распространяющийся во все стороны рой. Однако при приближении к источнику канамицина рой замедлялся до полной остановки на расстоянии приблизительно 0,3 см от источника. Еще через 36 часов колония начала формировать морщинки — признак образования биопленки — на расстоянии 1,3 см от источника антибиотика. Расстояние до бактерий зависело от концентрации канамицина. Морщинки были больше и грубее, а значит, биопленка была жестче, чем в отсутствии антибиотика.

Опыт повторили с мутантными бактериями Δeps, у которых нарушено образование биопленки. Такие бактерии не образовывали морщинок. Авторы исследования показали, что нормальные бактерии вырабатывают больше внеклеточного матрикса в присутствии канамицина. Это было установлено при изучении уровня экспрессии гена tasA. Также оказалось, что роящиеся колонии лучше образуют морщинки, чем неподвижные.

Связь роения и формирования биопленки изучили под микроскопом. Бактерии сначала образовывали роящиеся монослои клеток. Затем они начинали сталкиваться, теряя в скорости. При этом часть клеток временно выступала из монослоев. С нарастанием локальной плотности клеток столкновения приводили к образованию постоянных многослойных конструктов — островков. Внутри островков клетки свободно перемещались между слоями. Островки росли и сливались, в конце концов образуя большой многослойный регион.

В присутствии антибиотика островки образовывались неравномерно, и вскоре после формирования многослойных участков начинали формировать морщинки. Мутантные бактерии, лишенные способности чувствовать присутствие других клеток, все равно образовывали островки и биопленки.

Авторы исследования построили модель образования биопленки. Оказалось, что этот процесс схож с разделением фаз, вызванным движением (Motility Induced Phase Separation, MIPS) — теоретической моделью, согласно которой при достаточной концентрации движущиеся частицы спонтанно формируют кластеры высокой плотности. Это сходство подтвердили опытами, в которых клетки замедляли ультрафиолетом или физическими барьерами, что тоже приводило к образованию биопленок.

Бактерии формируют биопленки, защищаясь от действия антибиотиков. Простое повышение концентрации препарата не помогает бороться с этим процессом. Препятствовать их образованию можно, применяя антибиотики в два приема. Первое применение канамицина позволяет бактериям образовать многослойные участки, а второе — уничтожает их до образования биопленки. Полученный результат может быть полезен для разработки стратегии борьбы с устойчивыми бактериальными колониями.