Fysik møder biologi:Hvordan bakterier synkroniserer for at bygge komplekse strukturer

Bakterier samarbejder og koordinerer kollektivt, da de danner en fælles struktur kaldet en biofilm, såsom dental plaque på vores tænder eller mikrobiomet forbundet med vores tarm. Denne selvorganisering i flere komplekse lag – på trods af variationer af cellulære egenskaber på individuelt niveau – kræver, at de levende systemer deler fælles, men alligevel præcis tid, som nu er blevet afsløret af fysikere fra University of Luxembourg.

Prof. Anupam Sengupta og hans team forklarede dette ved at zoome ind på væksten og udviklingen af ​​spirende bakterielle biofilm, hvor de opdager nye krydstaler mellem biofysiske egenskaber, som muliggør præcis timing af strukturelle, topologiske og hydrodynamiske overgange på populationsskalaer. De banebrydende resultater vises i den seneste udgave af tidsskriftet Nature Physics .

Bakterielle biofilm findes på næsten alle naturlige og kunstige overflader, vi støder på. De er afgørende for menneskets eksistens:fra dem i tarmen, der regulerer vores fysiske velbefindende, til dem, der regulerer udviklingen af ​​kræftsygdomme og holder vores økosystem i balance. Takket være de udsøgte fysisk-kemiske feedback-mekanismer, der medierer deres produktive overflade-associerede livsstil, er biofilm meget modstandsdygtige og kan kolonisere forskellige systemer.

Nylig enkeltcelleforskning udført af prof. Sengupta og samarbejdspartnere har afsløret kritiske roller, som enkeltcellegeometri og vækstdynamik spiller i udformningen af ​​de dynamiske egenskaber af voksende bakterielag. Men hvordan variabilitet i statistikker på celleniveau - en fuldstændig uovervejet aktør i eksisterende modeller for levende og aktive stof - påvirker nye kollektive fænomener i bakterielle biofilm, er fortsat en udfordring og derfor stort set uudforsket.

Nu løser forskere fra Physics of Living Matter Group ved University of Luxembourg denne langvarige gåde:hvordan biofilm - og levende systemer generelt - regulerer timingen af ​​vigtige udviklingsbegivenheder, der opstår fra individer med meget variable og dynamiske egenskaber. Ved at tage en kvantitativ tværfaglig tilgang til at spionere inden for spirende bakterielle biofilm, giver Prof. Senguptas team den mekanistiske underbygning af, hvordan veltimede udviklingstrin opstår kollektivt på grund af selvreguleringen af ​​egenskaber på celleniveau, som krydstaler for at afbøde hver andres støjende effekter, hvilket i sidste ende muliggør en præcis timing af vigtige udviklingsbegivenheder.

Arbejdet dykker dybere ned i at rationalisere resultaterne, hvilket giver et fysiologisk konsistent billede baseret på de metaboliske krav i de tidlige stadier af biofilmudvikling. Resultaterne viser, hvordan selvregulering af fænotypisk støj driver veltimede overgange i strukturen, topologien og aktive strømme i bakteriekolonier, hvilket fremhæver fysikkens strategiske rolle i forståelsen af ​​biologiske systemer. Arbejdet passer bredt ind i Physics Meets Biology-initiativet inden for University of Luxembourg.

Støjende fænotyper driver veltimede udviklingsbegivenheder

På trods af variabiliteten i fænotypiske træk, såsom cellegeometri, væksthastigheder og overfladeassociering, gennemgår bakterielle biofilm kritiske udviklingstrin i deres livscyklus på præcise tidspunkter, startende med mono-til-flerlagsovergangen (MTMT). Efter denne vigtige strukturelle overgang sættes en ny kaskade i gang, som synkront timer ændringerne i topologi og aktive strømningsfelter inden for og i nærheden af ​​de begyndende biofilm.

Katalogets nøglefænotypiske træk i Escherichia coli og Serratia marcescens, der vokser under forskellige forhold (næringsstofniveauer og temperaturer), hvilket giver mulighed for omhyggelig kontrol af den biologiske aktivitet, og kvantificerer, hvordan krydssamtalen mellem fænotypiske lyde bestemmer aktualiteten af ​​strukturel organisation og fremkomsten af aktiv lokal transport. Dette arbejde skaber således den første direkte, mekanistiske forbindelse mellem aktivitetsafhængig celleniveauvariabilitet og populationsskala emergente egenskaber i levende systemer.

Udnyttelse af en tværskala og tværfaglig tilgang

Ved at bruge en kombination af enkeltcellet time-lapse-billeddannelse, partikelbilledhastighed, numeriske simuleringer og kontinuumsmodellering, kvantificerer holdet celleniveauvariabilitet i form af fænotypisk støj og afslører afvejninger, der i sidste ende undertrykker variabilitet i emergent egenskaber og gengiver dem synkron. Specifikt regulerer en afvejning mellem støjen i cellegeometrien og væksthastigheden timingen af ​​mono-til-flerlags-overgangen (MTMT), et nøgletrin i biofilm-initiering, og udløser en synkron aktiv hydrodynamisk kaskade, der driver i sidste ende forbedret lokal transport omkring de sammenflydende bakteriekolonier.

Bemærkelsesværdigt, på trods af at arterne er ikke-bevægelige i naturen, udløser den vækstafhængige aktive hydrodynamik i sammenflydende kolonier lokale strømme i deres omgivelser, som er stærke nok til at forstyrre selvsamlede partikelklynger (brugt som sporstoffer, se figur 1) og transportere dem aktivt på tværs af det mikrobielle miljø. Forbedringen i transport - i en ellers diffusionsbegrænset indstilling - med mere end to størrelsesordener tyder på biologiske funktioner af sådanne aktive strømme i transporten af ​​molekylær og mikrolast i de tidlige stadier af biofilmudvikling.

Dette arbejde præsenterer et gennembrud inden for mikrobielt aktivt stofs fysikdomæne og giver et nyt paradigme til at forstå, hvordan sammenflydende bakteriepopulationer kan klare miljøvariationer, herunder dem, der pålægges af livsstil og klimaændringer, ved at udnytte deres individuelle skalavariabilitet.

Perspektiver på den synkrone aktive transport i begyndende biofilm

Holdet demonstrerer, at fastsiddende kolonier kan generere og udnytte aktive strømme til at transportere biologiske laster på sub-mikron- til mikronstørrelse, som i vid udstrækning findes forbundet med bakteriekolonier. Sammenlagt spænder de tilknyttede mikrolastomspændende dimensioner fra snesevis af nanometer til nogle få mikron. Typisk mikrolast omfatter bakterieceller (forskellige bærer- og lastarter af mikronstørrelse), svampesporer i mikronskala; liposomer og ekstracellulære vesikler, der leverer genetisk eller biokemisk last (ti til hundredvis af nanometer i størrelse), blaffebakteriofager (hundreder af nanometer) og syntetiske perler og kapsler, der er relevante for lægemiddellevering (sub-mikron til titusvis af mikron i størrelse).

Den biologiske betydning af den tidssynkrone forbindelse mellem struktur-flow-transport er flerstrenget:Strengt timing af ekstruderingsbegivenhederne præsenterer MTMT som en biofysisk proxy til quorum-lignende sansning mellem kolonierne med potentielle konsekvenser af og i synkron selektion for resistente celler (for eksempel mod antibiotika). At afbryde den veldefinerede MTMT-timing (for eksempel ved at afstemme miljøfaktorer på passende måde) kunne tilbyde fremtidige alternativer til at hæmme quorum-sensing og derved regulere bakteriel resistens over for antibiotika.

Når man ser fremad, vil det være afgørende at forstå, hvordan fastsiddende kolonier udnytter den veldefinerede kritiske tid til at tune kommunikation mellem kolonier under stressede miljøer (i parameterrummet for iboende støj og struktur-flow-tidssynkronicitet). De støjmedierede spatio-temporale fænomener, der præsenteres i dette arbejde, giver nøgle manglende indsigt i den udviklingsmæssige biofysik af morfogenese i systemer med højere kompleksitet, herunder polymikrobielle konsortier observeret i menneske- og plantemikrobiomer, og multicellulære vævssystemer, der er relevante for embryonale og kræftformer progression.

Dette arbejde åbner nye forskningsveje inden for fysik af mikrobielt aktivt stof, blød og biologisk fysik og cellebiologi, og - på grund af den vigtige rolle af bakterielle biofilm i menneskelig mikrobiom og miljøøkologi - også biomedicinske og bioteknologiske videnskaber. De strukturelle og multifelt-topologiske resultater, der præsenteres her gennem prof. Senguptas vision, vil være konsekvente for forskellige sammenflydende systemer, der spænder over aktive vævs- og cellesystemer og en bred vifte af organoide modeller.

Endelig giver dette arbejde et nyt eksperimentelt modelsystem til forskning i aktivt stof, hvor passive entiteter sameksisterer med aktive midler og inspirerer en ny klasse af teoretiske modeller, der inkorporerer cellulær variabilitet og afvejninger deri for at forstå virkningen af ​​støj, en iboende biofysisk variabel, om emergente egenskaber i levende systemer. + Udforsk yderligere

Forskere manipulerer demografien af ​​bakteriesamfundet med ny elektronisk teknologi