Микрорешения могут иметь макропоследствия. Физик, изучающий мягкую материю, показывает, как взаимодействия в простых клеточных коллективах могут привести к появлению новых физических черт. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Уникальная форма биопленки формируется в результате взаимодействия входящих в ее состав микробов друг с другом и окружающей средой.
Введение
Биопленки ведут жизнь лиминальности. Эти слоистые сообщества микробов толщиной всего в несколько клеток прикрепляются к твердым поверхностям на интерфейсах — там, где камни встречаются с соленой водой в приливных бассейнах, между растениями и грязью в корневых системах или на покрытой слюной поверхности ваших зубов. Объединения отдельных клеток, биопленки растут и развиваются в единые формы жизни, которые могут разделяться на составляющие их клетки под давлением. Таким образом, биопленки каким-то образом являются и одноклеточными, и многоклеточными — и одновременно ни теми, ни другими.
Биопленки обладают эмерджентными свойствами: чертами, которые появляются только при взаимодействии системы отдельных элементов. Именно это эмерджентное явление привлекло биофизика Питера Юнкера к микробным структурам. Получив образование в области физики мягких веществ — изучения материалов, которые могут быть структурно изменены, — он заинтересован в понимании того, как взаимодействия между отдельными бактериями приводят к образованию структуры более высокого порядка биопленки.
По мере деления клеток и роста биопленки она не просто расширяется наружу. То, что начинается как плоский, гладкий слой клеток, растягивается и пульсирует. Странные, липкие формы появляются, когда бактерии собираются в гребни и углубления, которые деформируются и изгибаются, почти как если бы коллектив дышал. В последние годы исследователи изучали роль формы и геометрии в биопленках и то, как физические законы, такие как законы, управляющие клеточным метаболизмом и диффузией питательных веществ, определяют, как биопленки растут и процветают.
«Если мы будем смотреть только на скорость роста клеток, — говорит Юнкер, — то мы упустим не менее важный компонент, а именно то, как геометрия эмерджентной группы влияет на биопленку».
Недавно в своей лаборатории в Технологическом институте Джорджии Юнкер и его команда создали подробные топографические карты трехмерной поверхности растущей биопленки. Эти измерения позволили им изучить, как форма биопленки возникает из миллионов бесконечно малых взаимодействий между бактериями-компонентами и их средой. В 2024 году в Nature Physics они описали биофизические законы, которые управляют сложной агрегацией бактериальных клеток.
В Технологическом институте Джорджии Питер Юнкер рассматривает микробные сообщества, известные как биопленки, как коллоиды, которые он изучал как физик. В обоих случаях физические взаимодействия между частицами могут производить «очень интересные коллективные явления», сказал он.
По словам Юнкера, эта работа важна не только потому, что она может помочь объяснить ошеломляющее разнообразие одной из самых распространенных форм жизни на планете, но и потому, что она может вызвать первые нерешительные шаги жизни к многоклеточности. Каким-то образом, много раз за историю жизни на Земле, отдельные клетки, которые ранее воспринимали жизнь как единое целое, эволюционировали, чтобы работать сообща как коллектив — еще один пример возникновения.
«Характеристики многоклеточности очень сильно зависят от физики», — сказал Стюарт Ньюман, биофизический биолог развития из Нью-Йоркского медицинского колледжа.
Ученые все ближе подходят к пониманию биофизических правил, которые управляют тем, как и почему те первые клетки слипались и слипались. Эти исследования дают подсказки о геометрических принципах, которые могут генерировать ошеломляющие морфологии, говорит Омая Дудин, эволюционный клеточный биолог из Женевского университета.
«Мы не можем понять клетку, только глядя на ее геномику», — сказал он. «Нам нужно понять, как она выглядит».
Метаболическая топография
Не экзистенциальное одиночество заставляет микробов формировать биопленки; это преимущества совместной жизни. Микробы, которые могут образовывать такую массу — а многие могут, поскольку биопленки являются одной из самых распространенных форм жизни на планете, охватывая от 40% до 80% всей прокариотической жизни — приобрели способность прикрепляться к неподвижным поверхностям, таким как бороздки наших зубов или неровная поверхность валуна. Липкий, сахаристый, похожий на слизь внеклеточный матрикс физически связывает членов биопленки друг с другом и с твердым субстратом, на котором они растут.
Большие скопления микробов могут переваривать больше питательных веществ, делая эту энергию более широкодоступной. Они также менее склонны сами стать обедом, поскольку их соседи обеспечивают физическую защиту. Агломераты клеток защищены от всего: от вредных химикатов до ультрафиолетового света и высыхания. Они становятся чем-то средним между сообществом и многоклеточной жизнью.
«Клетки обладают способностью к сотрудничеству, к социализации», — сказал эволюционный биолог Иньяки Руис Трильо из Каталонского института исследований и перспективных исследований в Барселоне. «Это присуще клеточной экологии».
Но групповое проживание также имеет свои недостатки. По мере того, как все больше клеток объединяются вместе, кислороду и питательным веществам становится все сложнее распространяться по всем клеткам. Самые внешние микробы, имеющие наибольший доступ к внешней среде, поглощают питательные вещества, чтобы подпитывать свой собственный рост, оставляя внутренние клетки голодать.
Не нужно большого количества клеток, чтобы распределение ресурсов стало проблемой. Исследования микробиолога Ларса Дитриха из Колумбийского университета показали, что в биопленках глубиной всего 50 микрометров — что эквивалентно примерно 20–50 клеткам — уровень кислорода резко падает внутри. Это означает, что физическая структура биопленки жизненно важна для коллективного здоровья группы.
«На каком-то уровне вся биологическая форма и облик в конечном итоге ограничены тем, что метаболически осуществимо», — сказал Дитрих. «Каждая структура должна получить доступ к питательным веществам, кислороду или чему-либо еще, что им нужно».
Микробиолог Ларс Дитрих из Колумбийского университета обнаружил, что биопленки толщиной всего 20–50 клеток могут иметь проблемы с распределением ресурсов.
Его эксперимент начался с небольшой колонии бактерий Pseudomonas aeruginosa, растущей на агаровой пластине в его лаборатории — маленькая беловатая точка, размером примерно с точку в конце этого предложения. Точка становилась больше с течением дней. Затем, в мгновение ока, произошло волшебство.
Вместо того чтобы продолжать расти в более крупный круг, бактериальная колония изменила форму. Гладкая, как помадка, верхушка начала морщиться и сминаться. Вскоре зарождающаяся биопленка приобрела оригамиподобные складки неокортекса. Когда Дитрих изменил питательные вещества в питательной среде — добавив другой источник сахара, меньше белка или больше соли, — возникла совершенно другая топография.
Во всех сценариях, которые тестировал Дитрих, полученная биопленка не выглядела как отдельные клетки или небольшая колония, из которых она возникла. Но когда он увеличил изображение с помощью своего сканирующего электронного микроскопа, он смог увидеть внутренние структуры лесов, состоящие из миллиардов отдельных Pseudomonas. Он осознал тесную связь между структурой биопленки и ее метаболизмом.
Это понимание побудило его глубоко погрузиться в микроанатомию биопленки. Он и его команда сосредоточились на полосах, вертикальных секциях плотно упакованных бактерий. Клетки в верхней части полос имели достаточно кислорода; те, что были внизу, практически не имели его. Его лаборатория обнаружила, что клетки вдоль этого градиента могли ощущать различные уровни кислорода, что вызывало ряд биохимических изменений. Изменилась экспрессия генов. Также изменился состав липкого внеклеточного матрикса биопленки и физическое расположение ее клеток. Дитрих и коллеги опубликовали свои результаты в PLOS Biology в 2024 году.
Форма биопленки, таким образом, изменяет доступность питательных веществ, а доступность питательных веществ изменяет метаболизм и выживаемость клеток. «Используя различные типы метаболизма вдоль этих градиентов, [биопленка] может гарантировать, что все выживут», — сказал Дитрих.
Определение того, как структура влияет на доступность питательных веществ, важно, сказал Юнкер. Но он хотел бы продолжить изучение геометрии биопленки, чтобы понять, как взаимодействия между клетками могут создавать странные формы в первую очередь.
Микробная физика
Имея опыт работы в области физики мягких веществ, Юнкер рассматривает возникновение морщин биопленки с другой точки зрения. Биопленки, которые он наблюдал под микроскопом, напомнили ему вещества, называемые коллоидами, которые он изучал в дни своей учебы в докторантуре. Коллоиды образуются, когда мелкие частицы диспергируются в другом материале — например, желатин — это коллоидное твердое вещество, майонез — это коллоидная жидкость, а туман — это коллоидный газ. Частицы, составляющие коллоиды, которые исследовал Юнкер, были примерно того же размера, что и бактерии. Как и в биопленках, различные физические свойства коллоидов возникают из простых взаимодействий между соседними частицами.
«[Коллоиды] могут демонстрировать очень сложные, очень интересные коллективные явления только из-за их физических взаимодействий», — сказал Юнкер. «Одна частица толкает другую частицу, которая толкает другие частицы, что приводит к каскаду взаимодействий, который затем производит полномасштабное явление».
Биопленки могут образовывать множество уникальных форм. Когда им дают другие питательные вещества — новый источник сахара, меньше белка или больше соли — возникают совершенно другие топографии.
В коллоидах, как и в биопленках, эти взаимодействия регулируются двумя противоположными силами. Одна из них — отталкивающая: две частицы или две клетки не могут физически занимать одно и то же пространство одновременно. Другая сила — притягивающая. Клетки покрыты липкими белками, которые могут скреплять две клетки вместе, подобно тому, как среда связывает коллоид. Если сила отталкивания сильнее, клетки не объединяются. Но если сила притяжения сильнее, она может спровоцировать начальное образование биопленки.
Коллоиды от биопленок отличает рост, который биопленка должна сбалансировать между горизонтальным и вертикальным. Это мало чем отличается от разрастания городов. И в Хьюстоне, штат Техас, и в Квинсе, штат Нью-Йорк, проживает около 2,3 миллиона человек, но у них совершенно разная городская геометрия. Вокруг Хьюстона дешевая и обильная земля позволяет жителям расселяться, в основном с горизонтальным ростом. С другой стороны, Квинс окружен водой и окружающими муниципалитетами, поэтому жители строят более вертикально. Вот как 2,3 миллиона жителей занимают 640 квадратных миль в Хьюстоне и 109 квадратных миль в Квинсе.
Так же, как техасцы и ньюйоркцы, биопленки взвешивают компромиссы горизонтального и вертикального роста. «Одна клетка может находиться только в одном месте в любой момент времени», — сказал Юнкер. «Чем больше растут клетки на краю биопленки, тем меньше они могут расти наружу». Это приводит к своего рода клеточной геометрии, которая, как обнаружил Юнкер, играет огромную роль в общей приспособленности биопленки, измеряемой ее способностью расширяться и поглощать питательные вещества.
«Когда мы смотрим на животное, геометрия — это первое, что приходит на ум», — сказал Мин Го, инженер-механик и биофизик из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в исследовании. «Под этим скрываются детали — генетика, эпигенетика, белковый профиль и типы клеток, — которые вместе определяют всю биологию».
Юнкер решил сосредоточиться на том, что происходит на переднем крае биопленки — внешнем периметре, где клетки наиболее активно растут, делятся и формируют формирующуюся структуру. Чтобы измерить рост там, Юнкер использовал интерферометрию белого света — метод, который использует интерференционные узоры световых волн для измерения физических характеристик с нанометровым разрешением.
Используя биопленку бактерий Vibrio cholerae, команда Юнкера описала форму формирующейся биопленки как сферическую шапочку, напоминающую контактную линзу. В конце концов шапочка становится слишком толстой для того, чтобы питательные вещества могли диффундировать вверх из агаровой пластины к клеткам в верхней части шапочки, а кислород — вниз из воздуха к клеткам в нижней части.
По-настоящему одиночная клетка в этой ситуации просто переместилась бы в другое место. Однако клетки, находящиеся в середине растущей биопленки, приклеены на месте внеклеточным матриксом. Слишком далеко от пищи, чтобы получать энергию, и слишком далеко от свежего воздуха, чтобы получать кислород, эти клетки застревают. Не имея питательных веществ, они делятся медленнее — недостаточно быстро, чтобы поддерживать форму сферической шапочки, которая начинает деформироваться.
В то время как средняя часть разрушается, расширяющийся внешний периметр биопленки не разрушается. Этот передний край сохраняет форму, которую он имел, когда был частью сферической шапочки, и совершенно новая форма возникает во всем коллективе.
Юнкер обнаружил, что независимо от того, насколько большой становилась биопленка, геометрия на внешнем крае оставалась постоянной. Эта постоянная геометрия возникла в результате взаимодействия клеток друг с другом и их окружением. «Все сводится только к форме кучи клеток на краю», — сказал он. «Это самое главное».
Юнкер и его команда пошли дальше и измерили угол контакта между расширяющейся губой биопленки и ее субстратом — функцию количества клеток на краю и того, насколько «липкими» являются эти клетки. Липкость клеточной матрицы биопленки определяется рядом факторов, таких как ее химический состав, а также размер и форма составляющих ее микробов.
Возник компромисс между вертикальным и горизонтальным ростом. Более липкие клетки с более высоким углом контакта показали повышенный вертикальный рост и пониженную способность к горизонтальному распространению. Менее липкие клетки, с другой стороны, имели более низкий угол контакта и легче распространялись по поверхности.
Исследователи обнаружили, что краевой угол контакта является наиболее важным фактором общего роста и приспособленности биопленки. Он определяет доступность питательных веществ, скорость деления клеток и скорость отмирания бактерий. В свою очередь, сочетание этих трех факторов в конечном итоге контролирует сложную архитектуру возникающей биопленки.
«Мы думаем, что это, вероятно, очень распространенное явление в природе, где во многих случаях, когда у вас есть простые клеточные коллективы, просто сам факт их взаимодействия приводит к появлению физических черт», — сказал Юнкер. «Очень часто они будут иметь биологические последствия».
Работа Юнкера с углом контакта является ключевым примером того, как локальные факторы могут иметь макропоследствия для жизни, сказал Го, который изучает геометрию развивающихся эмбрионов. Результаты имеют значение для его собственной лаборатории, сказал он, и для нашего понимания того, как группа отдельных клеток становится одним многоклеточным индивидуумом.
«Нам будет очень интересно глубже погрузиться и понять правила, которые регулируют то, как клетки общаются со своими соседями», — сказал он. Он надеется, что исследователи смогут развить эту работу, чтобы показать, как эти локальные коммуникации приводят к возникновению глобальной формы. При наличии достаточной информации, сказал Го, он однажды сможет предсказать окончательную форму организма на основе этих межклеточных взаимодействий.
«Это мечта», — сказал он. «Мы надеемся получить большую, унифицированную модель».
Источник: www.quantamagazine.org
