От шумных фенотипов к статистически точному переходу от монослоя к многослою.
a. Клетки, нанесенные штрихом на чашку с агаром, богатым питательными веществами (1), переносят в жидкую среду (2), затем высевают в микрожидкостную камеру, здесь C i обозначает отдельные колонии (3), для фазово-контрастного покадрового изображения (4 ) в бассейне (S).
b , необработанные изображения растущих колоний (1) бинаризируются для извлечения фенотипических признаков (2) и кодируются цветом для визуализации локальной ориентации клеток (3,4).
c , Геометрические признаки одноклеточных: AR и ℓ b .
d , e , A c не зависит от температуры роста ( d), как показано как в нашей теории, так и в экспериментах, тогда как t c зависит от температуры ( e ). Синие и красные точки указывают на разные биологические повторы (включая множественные технические повторы) для экспериментальных данных Ac и tc . A c имеет большую дисперсию по всем T , тогда как t c имеет низкую дисперсию, которая еще больше минимизируется с ростом температуры.
f , специфический для признака фенотипический шум, количественно выраженный как нормализованная дисперсия, F  = var(⋯)/〈⋯〉2 , через T : ℓ b(синие квадраты), A c (красные треугольники), время удвоения длины клетки τ sc (черные ромбы), AR (пурпурные треугольники) и t c (зеленые кружки). Несмотря на высокий фенотипический шум на отдельных масштабах ( ℓ b , AR и τ sc ), t c является статистически точным (соответствующий шум на порядки ниже для всех T ). Планка погрешности обозначает стандартное отклонение F по колониям.
Авторы и права: Физика природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01641-9

Бактерии сотрудничают и координируют коллективно, поскольку они образуют общую структуру, называемую биопленкой, например, зубной налет на наших зубах или микробиом, связанный с нашим кишечником. Эта самоорганизация в несколько сложных слоев — несмотря на различия клеточных свойств на индивидуальном уровне — требует, чтобы живые системы имели общее, но точное время, которое теперь было обнаружено физиками из Люксембургского университета.

Профессор Анупам Сенгупта и его команда объяснили это, изучив рост и развитие зарождающихся бактериальных биопленок, в которых они обнаруживают возникающие перекрестные помехи между биофизическими свойствами, которые позволяют точно определить время структурных, топологических и гидродинамических переходов в масштабах популяции. Новаторские открытия опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature Physics.

Бактериальные биопленки встречаются почти на каждой естественной и искусственной поверхности, с которой мы сталкиваемся. Они имеют решающее значение для человеческого существования: от тех, что находятся в кишечнике и регулируют наше физическое благополучие, до тех, которые регулируют развитие рака и удерживают нашу экосистему в равновесии. Благодаря сложным физико-химическим механизмам обратной связи, обеспечивающим их продуктивный образ жизни, связанный с поверхностью, биопленки очень устойчивы и могут колонизировать различные системы.

Недавнее исследование одиночных клеток, проведенное профессором Сенгуптой и его сотрудниками, выявило решающую роль, которую играют геометрия и динамика роста одиночных клеток в формировании динамических свойств растущих бактериальных слоев. Тем не менее, как изменчивость статистики на клеточном уровне — совершенно неучтенный игрок в существующих моделях живой и активной материи — влияет на возникающие коллективные явления в бактериальных биопленках, остается проблемой и, следовательно, в значительной степени неизученной.

Теперь исследователи из группы физики живой материи Люксембургского университета решают эту давнюю загадку: как биопленки — и живые системы в целом — регулируют время ключевых событий развития, возникающих у людей с очень изменчивыми и динамическими характеристиками. Применяя количественный междисциплинарный подход к слежке за зарождающимися бактериальными биопленками, команда профессора Сенгупты обеспечивает механистическое обоснование того, как своевременные этапы развития возникают коллективно благодаря саморегуляции признаков на клеточном уровне, которые взаимодействуют друг с другом, чтобы смягчить каждый из них другие шумовые эффекты, что в конечном итоге позволяет точно определить время ключевых событий развития.

Работа глубже погружается в рационализацию результатов, обеспечивая физиологически последовательную картину, основанную на метаболических потребностях на ранних стадиях развития биопленки. Результаты демонстрируют, как саморегуляция фенотипического шума приводит к своевременным изменениям в структуре, топологии и активных потоках в бактериальных колониях, подчеркивая стратегическую роль физики в понимании биологических систем. Работа в целом вписывается в инициативу Physics Meets Biology в Университете Люксембурга.

Шумные фенотипы вызывают своевременные события развития

Несмотря на изменчивость фенотипических признаков, таких как геометрия клеток, скорость роста и поверхностная ассоциация, бактериальные биопленки претерпевают критические этапы развития в своем жизненном цикле в определенные моменты времени, начиная с перехода от монослоя к многослойности (MTMT). После этого ключевого структурного перехода запускается эмерджентный каскад, синхронно синхронизирующий изменения в топологии и активных полях потока внутри и вблизи зарождающихся биопленок.

Каталог ключевых фенотипических признаков Escherichia coli и Serratia marcescens, растущих в различных условиях (уровни питательных веществ и температуры), позволяющий тщательно контролировать биологическую активность и количественно определять, как перекрестные помехи между фенотипическими шумами определяют своевременность структурной организации и появление действующий местный транспорт. Таким образом, эта работа создает первую прямую механистическую связь между зависящей от активности изменчивостью на уровне клеток и эмерджентными свойствами в масштабе популяции в живых системах.

Рис. 1. Структурный переход формирующихся биопленок от монослойных к многослойным приводит к возникновению синхронного транспорта вокруг колонии. Явление активного переноса было обнаружено путем визуализации смещения частиц микронного размера с течением времени (показано на шестипанельном изображении с оранжевой рамкой). Предоставлено: Люксембургский университет.

Использование кросс-масштабного и междисциплинарного подхода

Используя комбинацию покадровой визуализации одиночных клеток, измерения скорости изображения частиц, численного моделирования и непрерывного моделирования, команда количественно оценивает изменчивость на уровне клеток с точки зрения фенотипического шума и выявляет компромиссы, которые в конечном итоге подавляют изменчивость возникающих свойств и отображают их. синхронный. В частности, компромисс между шумом в геометрии клетки и скоростью роста саморегулирует время перехода от монослоя к многослойности (MTMT), ключевого шага в инициации биопленки, запуская синхронный активный гидродинамический каскад, который в конечном итоге стимулирует усиленный локальный транспорт вокруг сливающихся бактериальных колоний.

Примечательно, что, несмотря на то, что виды неподвижны по своей природе, зависящая от роста активная гидродинамика внутри сливающихся колоний запускает локальные потоки в их окружении, которые достаточно сильны, чтобы разрушать самособирающиеся кластеры частиц (используемые в качестве трассеров, см. Рисунок 1) и транспортировать их. активно проникает в микробную среду. Усиление транспорта - в условиях ограниченной диффузии - более чем на два порядка предполагает биологические функции таких активных потоков при транспортировке молекулярного и микрогруза на ранних стадиях развития биопленки.

Эта работа представляет собой прорыв в области физики микробного активного вещества и предлагает новую парадигму для понимания того, как сливающиеся бактериальные популяции могут справляться с изменениями окружающей среды, в том числе вызванными изменениями образа жизни и климата, за счет использования их индивидуальной изменчивости.

Перспективы синхронного активного транспорта в зарождающихся биопленках

Команда продемонстрировала, что сидячие колонии могут генерировать и использовать активные потоки для перемещения биологических грузов субмикронного и микронного размера, которые часто встречаются в бактериальных колониях . В совокупности соответствующие микрогрузовые пролеты имеют размеры от десятков нанометров до нескольких микрон. Типичные микрогрузы включают бактериальные клетки (различные виды переносчиков и грузов микронного размера), грибковые споры микронного размера; липосомы и внеклеточные везикулы, доставляющие генетический или биохимический груз (размером от десятков до сотен нанометров), автостопные бактериофаги (сотни нанометров) и синтетические шарики и капсулы, необходимые для доставки лекарств (размером от субмикрона до десятков микрон).

Биологическое значение синхронной во времени связи между структурой-потоком-переносом многоаспектно: строгая синхронизация событий экструзии представляет MTMT как биофизический показатель кворумного восприятия между колониями с потенциальными разветвлениями и в синхронном отборе для устойчивые клетки (например, против антибиотиков). Нарушение четко определенного времени MTMT (например, путем соответствующей настройки факторов окружающей среды) может предложить будущие альтернативы для подавления чувства кворума и тем самым регулировать устойчивость бактерий к антибиотикам.

Забегая вперед, будет важно понять, как сидячие колонии используют четко определенное критическое время для настройки межколонных коммуникаций в стрессовых условиях (в пространстве параметров собственного шума и временной синхронности структура-поток). Опосредованные шумом пространственно-временные явления, представленные в этой работе, дают ключевое недостающее понимание биофизики развития морфогенеза в системах более высокой сложности, включая полимикробные консорциумы, наблюдаемые в микробиомах человека и растений, и системы многоклеточных тканей, имеющие отношение к эмбриональным и раковым заболеваниям. прогресс.

Эта работа открывает новые пути исследований в области физики микробного активного вещества, мягкой и биологической физики, клеточной биологии, а в связи с важной ролью бактериальных биопленок в микробиоме человека и экологии окружающей среды — и биомедицинских и биотехнологических наук. Структурные и мультиполевые топологические результаты, представленные здесь через видение профессора Сенгупты, будут иметь значение для различных конфлюэнтных систем, охватывающих активные системы тканей и клеток, а также для широкого спектра моделей органоидов.

Наконец, эта работа представляет собой новую экспериментальную модельную систему для исследования активной материи, в которой пассивные объекты сосуществуют с активными агентами, и вдохновляет на создание нового класса теоретических моделей, которые включают клеточную изменчивость и компромиссы в ней, чтобы понять влияние шума, внутреннего биофизическая переменная на эмерджентных свойствах живых систем.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org