Бактериальные колонии двух видов образуют замысловатые, похожие на цветы узоры

В серии экспериментов группа биологов из Калифорнийского университета в Сан-Диего изучала структуру растущих колоний, состоящих из двух видов палочковидных бактерий, Escherichia coli и Acinetobacter baylyi; исследователи были удивлены, увидев, что высокоподвижный Acinetobacter baylyi ускорил распространение медленной кишечной палочки и что структура расширяющейся колонии двух видов стала очень неоднородной и имела цветоподобные узоры. Узоры сверху были выращены за 24 часа. 

Escherichia coli – хороший пловец, но им трудно двигаться по твердой поверхности. Когда каплю жидкости, содержащую эти медленные бактерии, помещают в чашку Петри, включающую желеобразное вещество, называемое агаром, капля едва расширяется в течение 24-часового периода.

С другой стороны, капля, содержащая Acinetobacter baylyi, быстро размножается на агаре, потому что эти бактерии могут ползти, используя микроскопические ножки, называемые пили.

«На самом деле мы смешивали эти два вида бактерий для другого проекта, но однажды утром я обнаружил таинственный узор в виде цветка в чашке Петри, где днем ​​ранее я поместил капельку смеси», – сказал доктор Лиян Сюн, автор исследования из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Красота рисунка поразила меня, и я начал задаваться вопросом, как бактериальные клетки могут взаимодействовать друг с другом, чтобы делать эту красоту».

Доктор Сюн и его коллеги решили исследовать, как колония, содержащая Escherichia coli и Acinetobacter baylyi, развивалась на твердой поверхности.

Эксперименты показали, что когда капля жидкости, содержащая оба вида, была помещена на агар, оба вида росли и быстро распространялись, как если бы Escherichia coli путешествовал автостопом по высоко подвижным клеткам Acinetobacter baylyi. Кроме того, растущая колония приобрела сложную цветоподобную форму.

Затем команда разработала математические модели, которые учитывали различные физические свойства двух видов бактерий, в первую очередь различия в скорости их роста, подвижности и эффективном трении по поверхности агара.

Теоретический и вычислительный анализ показал, что формирование паттерна происходит на расширяющейся границе колонии, которая становится нестабильной из-за сопротивления, создаваемого Escherichia coli, которая накапливается там.

В областях, где накопление Escherichia coli меньше, также меньше трение. В областях, где больше накопления Escherichia coli и больше трения, границы стагнируют. Это то, что создает «лепестки» цветка.

Дальнейший анализ предполагает, что этот тип паттерна, как ожидается, образуется, когда подвижные бактерии смешиваются с неподвижными видами, которые имеют достаточно высокую скорость роста и / или эффективное поверхностное трение, что может иметь важные последствия при изучении растущих биопленок.

«Формирование бактериального паттерна было активной областью исследований в последние несколько десятилетий», – сказал доктор Лев Цимринг, соавтор исследования из Университета Калифорнии и Центра системной биологии в Сан-Диего. «Однако большинство лабораторных исследований и теоретических моделей были сосредоточены на динамике колоний с одним штаммом. Большинство бактерий в естественной среде обитания живут в сообществах с множеством штаммов, и исследователи наконец начинают искать механизмы, контролирующие их совместное проживание. Несмотря на то, что был выявлен ряд биохимических механизмов межвидового общения и сотрудничества, мы обнаружили, что удивительная сложность может быть результатом чисто физических механизмов взаимодействия».

Результаты исследования были опубликованы в журнале eLife в январе этого года.

DOI: 10.7554/eLife.48885