В слизи бактерии образуют колонии в виде длинных жгутов
При росте в полимерных жидкостях, таких как слизь, неподвижные бактерии образуют длинные переплетенные структуры — жгуты (cables). Работа, опубликованная в Science Advances, показывает, что на формирование жгутов влияют осмотическое давление, которое полимеры оказывают на клетки, и ограничение диффузии в вязкой среде. Это явление не зависит от вида бактерий или типа полимера. По предположению авторов, с одной стороны, образование жгутов защищает бактерии от иммунной системы, с другой, их проще вывести из организма с током жидкости.

Многие бактерии обитают в полимерных жидкостях, таких как слизь в дыхательных путях, кишечнике и цервико-вагинальном тракте. Однако большинство лабораторных исследований проводят в жидкостях без полимеров, так что влияние полимеров на рост бактериальных колоний оставляет малоизученным. Чтобы прояснить этот вопрос, ученые из США проанализировали рост неподвижных бактерий, которые часто встречаются в организме человека. Потеря подвижности у бактерий, колонизирующих различные среды, включая организм человека, играет важную роль в их вирулентности. Например, при муковисцидозе бактерии в дыхательных путях часто теряют подвижность и образуют биопленки.
Для анализа влияния полимеров на морфологию бактериальных колоний авторы провели эксперименты с неподвижными бактериями Escherichia coli, Vibrio cholerae и Pseudomonas aeruginosa, которые выращивали в средах с различными полимерами, включая муцины, полиэтиленоксид, фикол и карбоксиметилцеллюлозу натрия. Бактерии, экспрессирующие зеленый флуоресцентный белок (GFP), визуализировали с помощью конфокальной микроскопии.
В растворах без полимеров бактерии растут, делятся и распределяются случайным образом. Но в присутствии полимеров они формируют длинные переплетенные структуры — жгуты (cables). Этот процесс происходит независимо от вида бактерий и характеристик полимера (химической природы, молекулярной массы, структуры и заряда).
Чтобы разобраться в причинах образования жгутов, ученые использовали компьютерное моделирование. Они показали, что процесс обусловлен двумя факторами. Первый — энтропийное притяжение, при котором полимеры создают силы притяжения между соседними клетками, заставляя их сближаться. Это связано с исключенным объемом вокруг каждой клетки, который недоступен для полимерных цепей. Когда клетки сближаются, их исключенные объемы перекрываются, уменьшая доступное для полимеров пространство, что создает разницу осмотического давления, толкающую клетки друг к другу. Этот процесс называется деплеционным притяжением. Второй фактор — ограниченная диффузия. В вязких растворах клетки имеют ограниченную способность к диффузии, что затрудняет их перемещение и разделение после деления. Клетки не могут свободно разойтись и остаются рядом. Жгуты образуются благодаря энтропийным силам, а не биохимическим взаимодействиям.
На начальных стадиях формирования жгутов клетки после деления располагаются бок о бок, а не конец к концу. Исключенный объем и величина потенциала деплеционного взаимодействия больше для клеток, расположенных бок о бок. Однако последующие деления приводят к устойчивой конфигурации конец к концу, что способствует росту жгутов. Это состояние является метастабильным, и клетки могут оставаться в нем до тех пор, пока тепловое движение не заставит их перестроиться в более выгодную конфигурацию бок о бок. Формирование жгутов зависит от баланса между деплеционным притяжением и тепловым движением клеток.
Симуляция, учитывающая рост клеток, отталкивание, диффузию и деплеционное притяжение, показала, что при отсутствии деплеционного взаимодействия клетки распределяются случайно, а при его наличии формируют многоклеточные жгуты, что совпадает с экспериментальными данными. Процесс был обратимым: удаление полимеров из среды приводит к разрушению жгутов из-за теплового движения клеток.
Образование жгутов позволяет бактериям осваивать новые пространства и защищаться от иммунной системы и антимикробных препаратов, что влияет на динамику инфекции и распространение бактериофагов. С другой стороны, авторы предполагают, что образование жгутов под действием секрета организма-хозяина может облегчить выведение бактерий из организма с потоком слизи.
Бактерии вызывают у других бактерий чувствительность к фагам, чтобы получить преимущество
Источник:
Sebastian Gonzalez La Corte, et al., Morphogenesis of bacterial cables in polymeric environments. // Sci. Adv. 11, eadq7797 (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adq7797