Jak bakterie aktywnie wykorzystują fizykę pasywną do tworzenia biofilmów

Kiedy myślimy o bakteriach, możemy sobie wyobrazić pojedyncze komórki pływające w roztworze. Jednakże, podobnie jak u ludzi, komórki bakteryjne często łączą się społecznie, wykorzystując powierzchnie do łączenia się w złożone heterogeniczne społeczności zwane biofilmami. W grupie bakterie znajdujące się w biofilmie są niezwykle odporne na różne stresy środowiskowe – co jest kluczową cechą, która sprawia, że ​​infekcje związane z biofilmem są niezwykle trudne do leczenia antybiotykami.

Od ponad 50 lat badania nad biofilmem skupiają się na procesach biologicznych, które pozwalają biofilmom rozwijać się i uodporniać na leczenie antybiotykami. W najnowszej pracy perspektywicznej opublikowany W Postępowanie Narodowej Akademii Naukbadacze z Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin w Erlangen, we współpracy z partnerami z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie i Harvard Medical School, podzielili się swoimi spostrzeżeniami na temat tego, w jaki sposób bakterie tworzą i utrzymują biofilmy w oparciu o procesy fizyczne, w tym przeżycie w warunkach ekstremalne warunki stresowe.

Praca ta podkreśla, że ​​oprócz biomolekularnych szczegółów sygnalizacji i regulacji, interakcje biofizyczne odgrywają ważną rolę w cyklach życiowych bakterii i infekcjach.

Biofilmy jako tkanki

„Badania nad biofilmem ewoluowały od postrzegania bakterii jako pojedynczych komórek (jak pierwotnie odkrył Antonie van Leewenhawk) do uświadomienia sobie, że w odpowiednich warunkach bakterie łączą się w grupy komórek, które tworzą biofilm” – powiedział prof. Roberto Kolter ( Harvard Medical School w Bostonie, USA).

Niedawnym postępem w badaniach nad biofilmem jest porównanie go z tkankami ludzkimi ze względu na ich złożoność i niejednorodność. Czasami biofilmy uważa się nawet za ciągłe części tkanki ludzkiej, czego przykładem są biofilmy w jamie ustnej na zębach lub mikrobiom zamieszkujący ludzkie jelita.

Jedną z niezwykłych cech biofilmów, wspólnych z tkankami eukariotycznymi, jest to, że bakterie osadzają się w samodzielnej pozakomórkowej macierzy polimerowej, która utrzymuje komórki razem, nadaje biofilmom stabilność mechaniczną, służy jako zbiornik wody i składników odżywczych oraz chroni przed środki przeciwdrobnoustrojowe.

Prof. Liraz Chai (Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie, Jerozolima, Izrael i Centrum Maxa Plancka w Queensland, Queensland University of Technology, Brisbane, Australia) zasugerowała: „Zachęcamy do przeniesienia dyskusji z macierzy zewnątrzkomórkowej na przestrzeń zewnątrzkomórkową. Macierz zewnątrzkomórkowa to pojedynczy składnik w wyjątkowym środowisku, gdzie jest nasączony wodą i rozpuszczonymi składnikami odżywczymi, cząsteczkami sygnalizacyjnymi, produktami przemiany materii i jonami metali W środowisku szeroki zakres procesów fizycznych bezpośrednio wpływa na fizjologię biofilmu, ponieważ cząsteczki i bakterie wzajemnie na siebie wpływają. .”

Gdzie rozwija się fizyka

Woda jest niezbędna dla wszystkich organizmów żywych i dominuje w przestrzeni zewnątrzkomórkowej w biofilmach. Dzięki efektom osmotycznym macierz zewnątrzkomórkowa może wchłaniać wodę z otoczenia i pomagać w rozszerzaniu się biofilmów, podobnie jak gąbka. Parowanie wody z powierzchni biofilmów może napędzać przepływy wody przynoszącej świeże składniki odżywcze, gdy woda wyparowuje z liści roślin. Czasami biofilmy tworzą nawet kanały przypominające naczynia krwionośne, umożliwiające przepływ wody tam, gdzie jest ona najbardziej potrzebna.

Kiedy wody zaczyna brakować, biofilmy mogą wywołać reakcję stresową związaną z wysuszeniem, zatrzymując wodę w przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Potrafią nawet przekształcić swoje zewnątrzkomórkowe składniki polisacharydowe w stan fizyczny szkła – strategię tę stosują odporne na wysychanie nasiona roślin i niedźwiedzie wodne (niesporczaki).

Oprócz wody przestrzeń zewnątrzkomórkowa wspomaga procesy samoorganizacji molekularnej. Na przykład białka tworzą kompleksy, podczas gdy akumulacja minerałów osadzonych w organicznej macierzy zewnątrzkomórkowej może prowadzić do biomineralizacji biofilmów, na przykład tworzenia się stwardniałej płytki nazębnej na powierzchni zębów.

Jak kontrolować fizykę

Jednym z ekscytujących przyszłych kierunków badań proponowanych w tej perspektywie jest zrozumienie, w jaki sposób procesy fizyczne zachodzące w przestrzeni zewnątrzkomórkowej są regulowane na poziomie genetycznym osadzonych bakterii.

Autorzy argumentują, że szlaki regulacyjne prowadzące do wydzielania macierzy są stosunkowo dobrze poznane. Jednakże otwartym pytaniem jest, w jaki sposób sekwencja zdarzeń związanych z wytwarzaniem macierzy jest zorganizowana w zależności od mikrośrodowiska komórki i jak może się ona zmienić w odpowiedzi na zakłócenia zewnętrzne.

„Jednak bardzo podstawowe procesy fizyczne mogą być kluczem do zrozumienia tej złożonej, hierarchicznej organizacji czasoprzestrzeni, od nanometrowej skali poszczególnych białek po całe biofilmy w skali centymetrów” – wyjaśnił prof. Wasilij Zaburdaev (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg oraz w Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin w Erlangen).