Биопленки (слизистые сообщества бактерий) растут на самых разных поверхностях: от ледников и горячих источников до корней растений, вашей ванны и холодильника, ран и медицинских устройств, таких как катетеры. Большинство биопленок состоит из нескольких видов бактерий, но как они умудряются жить вместе, остается неясным. В новом исследовании ученых из Дартмута, опубликованном в журнале Current Biology, с помощью экспериментов и моделирования выясняется, как сосуществуют три вида биопленочных бактерий и когда они разделяются.
Один вид, Pseudomonas aeruginosa, патогенный микроорганизм, известный своей устойчивостью к антибиотикам, доминировал над двумя другими бактериями. Но он мигрировал в поисках более зеленых пастбищ, когда на поверхности становилось слишком тесно, вместо того чтобы оставаться и конкурировать с сожителями. Уйдя в самостоятельное плавание, Pseudomonas позволил процветать всей колонии бактерий.
«Распространение Pseudomonas позволяет трем видам сосуществовать там, где в противном случае они бы не смогли», – говорит автор работы Кери Нейделл, доцент кафедры биологических наук Дартмутского университета. «Это первый случай, когда было четко показано, что рассеивание имеет очень важные экологические последствия, когда вы думаете о биопленке как о сообществе».
Исследователи изучили сообщество из трех видов бактерий: P. aeruginosa, Escherichia coli и Enterococcus faecalis. Все они ведут себя как условно-патогенные микроорганизмы и часто выделяются при катетер-ассоциированных инфекциях мочевыводящих путей, поэтому знание того, как они взаимодействуют, может улучшить понимание этих инфекций.
«Мы хотели выяснить, как биопленки могут поддерживать разнообразие видов или штаммов, потому что мы знаем, что бактерии очень хорошо убивают друг друга», – говорит первый автор исследования Джейкоб Холт. «Это и послужило основной мотивацией – если они так хороши в антагонистическом поведении, то как они сосуществуют в этих тесно связанных сообществах?»
Для анализа ученые вырастили три вида на стеклянной поверхности, способствующей развитию биопленки, и в хорошо перемешанной жидкой культуре. Они «посеяли» равное количество каждой бактерии в каждую среду, а затем с помощью флуоресцентной микроскопии изучили, как относительная численность различных видов меняется со временем.
В жидкой культуре P. aeruginosa бурно развивалась и полностью вытеснила два других вида примерно через 3 дня. Однако в среде биопленки исследователи увидели совсем другую динамику. Сначала популяции E. faecalis и E. coli росли быстрее, чем P. aeruginosa, но через несколько дней популяция P. aeruginosa быстро увеличилась и начала вытеснять два других вида. Однако, как только биопленка стала плотной, популяция P. aeruginosa сократилась, что позволило двум другим видам вернуться обратно. Вскоре после этого P. aeruginosa снова стала занимать лидирующие позиции, и цикл повторился.
Когда команда проверила различные теоретические модели для объяснения этих циклов, лучшая модель оказалась на удивление понятной. «Фундаментальный механизм очень прост», – говорит Холт. «Когда доминирующий вид достигает очень высокой численности, он избирательно удаляет себя из системы, что позволяет другим видам остаться».
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи повторили эксперимент с генетически модифицированным мутантным штаммом P. aeruginosa, лишенным способности к рассеиванию. В этом случае в биопленке полностью доминировала P. aeruginosa, что отражает результаты, полученные в жидкой культуре, и подтверждает предыдущие выводы.
По словам Нейделла, эта работа подчеркивает значимость проведения исследований в реальных условиях. «Важно добиваться большего экологического реализма. Выводы, сделанные на основе хорошо перемешанных жидких бактериальных культур, часто не применимы к биопленочным средам, которые гораздо чаще встречаются в реальном мире», – говорит он. «Это указывает на важность изучения этих сообществ в контексте с небольшим добавлением реализма».
Команда планирует развивать компонент реализма и в будущих исследованиях. В рамках своего следующего проекта Холт и Нейделл собираются вырастить Vibrio cholera, бактерию, вызывающую холеру, на панцирях креветок – субстрате, на котором бактерии часто растут в морской среде.
[Фото: Carey Nadell / Dartmouth College]