Οικοδομικοί Κώδικες για Βακτηριακές Πόλεις

Η πρασινωπή λάμψη κάτω από το μικροσκόπιο μπορεί να μην συναγωνιζόταν την Times Square στην έντασή της, αλλά για τη μικροβιολόγο Katharine Coyte, η πρώτη της ματιά σε αυτήν την πολυσύχναστη πόλη ήταν εξίσου συναρπαστική. Ως διδακτορική φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, είχε κατασκευάσει μια μικρή πλαστική πλάκα με τρύπες, σαν την πιο μικροσκοπική φέτα ελβετικού τυριού στον κόσμο, που ονομάζεται μικρορευστοποιητικό τσιπ. Ήταν γραφτό να μοιάζει με το πορώδες περιβάλλον, όπως το έδαφος, στο οποίο ζουν πολλά βακτήρια, και το είχε σπείρει με διαφορετικά στελέχη E. coli . Επισήμανε κάθε ένα από τα στελέχη με μια φθορίζουσα πρωτεΐνη για να του δώσει ένα χαρακτηριστικό χρώμα, το οποίο θα επέτρεπε στον Coyte να μετρήσει πόσα από κάθε τύπο κυττάρου υπήρχαν. Καθώς μια σταθερή ροή νερού έφερνε θρεπτικά συστατικά στην εγκατάσταση, στάθηκε πίσω και παρακολούθησε τα βακτήρια να χτίζουν μια μικροβιακή μεγαλόπολη γνωστή ως βιοφίλμ.

Τα βιοφίλμ είναι παντού. Το 99,9 τοις εκατό των απλών κυττάρων που ονομάζονται προκαρυώτες δεν είναι σπάνιες εναλλακτικές λύσεις αντί του μοναχικού μικροβίου που κολυμπάει σε μια φιάλη ή απλώνεται σε ένα πιάτο Petri, αλλά το 99,9 τοις εκατό των απλών κυττάρων που ονομάζονται προκαρυώτες προεπιλέγουν να ζουν σε κοντινή απόσταση μεταξύ εκατομμυρίων συμπατριωτών τους. Αυτά τα βιοφίλμ ομαδοποιημένων βακτηρίων μπορούν να δημιουργήσουν αδύνατες να εξαλειφθούν λοιμώξεις σε κεντρικές γραμμές και καθετήρες. βρομίζουν τα πάντα, από τις γραμμές αποχέτευσης μέχρι τα δόντια μας. Τα δισεκατομμύρια βακτήρια που μπορούν να ζουν σε ένα μόνο βιοφίλμ καλύπτονται με έναν κολλώδη συνδυασμό ζάχαρης και πρωτεΐνης που ονομάζεται εξωκυτταρική μήτρα, η οποία τα κολλάει αποτελεσματικά στην επιφάνεια της επιλογής τους. Τόσο η μήτρα όσο και το φυσικό σχήμα του βιοφίλμ προστατεύουν τα κύτταρα που ζουν στο κέντρο της δομής από την επίθεση από αρπακτικά και αντιβιοτικά. Το μέγεθος του βιοφίλμ και η αλληλεπίδραση των κυττάρων μέσα σε αυτό δίνουν στα διαφορετικά κύτταρα την ευκαιρία να εξειδικεύονται σε μια συγκεκριμένη εργασία, όπως η απόκτηση τροφής, η ανατροπή των αρπακτικών ή η λειτουργία ως δεξαμενή γενετικού υλικού από την οποία θα αναπτυχθεί ξανά ολόκληρη η δομή.

«Μπορούμε να παρακολουθήσουμε αυτές τις πολύπλοκες κοινότητες σε αυτό που είναι ουσιαστικά το φυσικό τους περιβάλλον και να μελετήσουμε τη δομή ή τον μεταβολισμό τους. Υπάρχουν πολλά που μπορούμε να μάθουμε όταν μπορούμε να μελετήσουμε βιοφίλμ σε ολόκληρη την παράξενη πολιτεία τους», δήλωσε η Melissa Garren, θαλάσσια βιολόγος στο California State University, Monterey Bay.

Ενδεικτικά, τα πειράματα μικρορευστού τσιπ από την Coyte, τώρα μεταδιδακτορική στο Memorial Sloan Kettering Cancer Center στη Νέα Υόρκη, και οι συνάδελφοί της κατέδειξαν πώς η ροή του νερού και ο αριθμός των βακτηρίων που υπάρχουν μπορούν να περιορίσουν και να αναδιαμορφώσουν την ανάπτυξη των βιοφίλμ. Η δουλειά τους, που δημοσιεύτηκε φέτος στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών , προσθέτει σε μια αναπτυσσόμενη βιβλιογραφία που καταδεικνύει ότι οι φυσικές δυνάμεις όπως η υδροδυναμική διάτμηση και η κολλητικότητα της εξωκυτταρικής μήτρας διαμορφώνουν την ανάπτυξη των μικροβίων σε πολύπλοκες συλλογές. Αυτές οι μελέτες παρέχουν ένα μεγάλο βήμα στην πορεία προς την αποκωδικοποίηση των κανόνων που διέπουν το σχηματισμό και την εξέλιξη των βιοφίλμ.

Αυτές οι βιοφυσικές δυνάμεις είναι σαν καθολικοί κανόνες ζωνών για τις πόλεις βιοφίλμ:διέπουν τον τρόπο με τον οποίο οι κάτοικοι αποκτούν τροφή και οικοδομικά υλικά, πώς μπορούν να κινηθούν και πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ακριβώς όπως οι πολεοδόμοι χρησιμοποιούν τις γνώσεις τους για τις αρχές και τους κανονισμούς πολιτικού μηχανικού για να χτίσουν καλύτερες πόλεις για τους ανθρώπους, οι μικροβιολόγοι και οι βιομηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτούς τους κανόνες για να κάνουν τα αντικείμενα περισσότερο ή λιγότερο φιλόξενα για τα δισεκατομμύρια κύτταρα που ζουν μέσα και γύρω μας.

Στις 17 Σεπτεμβρίου 1683, ο Antonie van Leeuwenhoek έγραψε στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου με νέα για μικροσκοπικά «ζώα» που είχε δει στο μικροσκόπιο. Από τα δόντια του εαυτού του, δύο γυναίκες και δύο ηλικιωμένοι που δεν είχαν καθαρίσει ποτέ τα δόντια τους, ο Leeuwenhoek είχε ξύσει «λίγη λευκή ουσία, που είναι τόσο παχιά σαν να ήταν κουρκούτι» και την κοίταξε με τους γυαλισμένους στο χέρι φακούς του. Η επιστολή του περιέγραφε «μια απίστευτα μεγάλη παρέα ζωντανών ζώων, που κολυμπούσαν πιο ευκίνητα από ό,τι είχα δει ποτέ μέχρι τώρα», σε μια από τις πρώτες περιγραφές βακτηρίων που καταγράφηκαν. Οι επιστήμονες γνωρίζουν τώρα ότι η οδοντική πλάκα που περιέγραψε ο Leeuwenhoek ήταν στην πραγματικότητα ένα βιοφίλμ, όχι μια απλή συλλογή μεμονωμένων βακτηρίων.

Παρά τις ημερομηνίες των πρώιμων ανακαλύψεων του Leeuwenhoek, χρειάστηκαν μικροβιολόγοι μέχρι τις δεκαετίες του 1970 και του 1980 για να ξεκινήσουν τη διερεύνηση των βιοφίλμ. Οι πρώτοι πρωτοπόροι όπως η Bonnie Bassler του Πανεπιστημίου του Πρίνστον εντόπισαν τα χημικά σήματα που χρησιμοποιούν τα βακτήρια για να πραγματοποιήσουν μια απογραφή των συναδέλφων τους σε μια διαδικασία γνωστή ως ανίχνευση απαρτίας. Άλλοι ερευνητές αποκωδικοποίησαν τα γονίδια που συνέθεσαν την εξωκυτταρική μήτρα και πώς αυτή η μήτρα θα μπορούσε να διαφέρει μεταξύ των ειδών και ακόμη και μέσα στο ίδιο άτομο.

Όσο σημαντικές κι αν ήταν αυτές οι επιστημονικές συνεισφορές, οι μελέτες υπέφεραν από έναν θεμελιώδη περιορισμό. Αυτό που κάνει ένα βιοφίλμ να διαφέρει από μια μάζα πανομοιότυπων βακτηρίων είναι τα πλήθη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των συστατικών μικροβίων. Ωστόσο, αυτοί οι επιστήμονες ήταν σε μεγάλο βαθμό υποχρεωμένοι να παρατηρούν βιομεμβράνες που αναπτύσσονται σε πιάτα Petri ή σε κάτι αντίστοιχο. Και έγινε όλο και πιο σαφές ότι αυτές οι απλές εργαστηριακές συνθήκες δεν μπορούσαν να υποστηρίξουν το πλήρες φάσμα των βιοφυσικών αλληλεπιδράσεων που διαμορφώνουν τα βιοφίλμ και τη λειτουργία τους.

Για παράδειγμα, πολλές από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των βακτηρίων στα βιοφίλμ είναι έντονα ανταγωνιστικές, τόσο μέσα σε ένα βιοφίλμ όσο και μεταξύ τους. Οι ταχέως αναπτυσσόμενοι οργανισμοί θα αρπάξουν θρεπτικά συστατικά πριν οι γείτονές τους καταλάβουν τον χώρο τους. Άλλα βακτηριακά είδη εκκρίνουν αντιβιοτικά για να εμποδίσουν τους ανταγωνιστές να εισέλθουν στην επικράτειά τους. Για να αποτραπεί η ελεύθερη φόρτωση των κυττάρων από το να επωφεληθούν από την εξωκυτταρική μήτρα που παράγεται με κόστος ενέργειας και πολύτιμων θρεπτικών πόρων, ορισμένα είδη βακτηρίων συνδέονται με μόρια μήτρας για να τα «ιδιωτικοποιήσουν». Τα μικρόβια σε ένα βιοφίλμ μπορούν επίσης να ειδικεύονται σε διαφορετικές εργασίες, ανάλογα με το πού βρίσκονται στο βιοφίλμ και το γενετικό τους υπόβαθρο. Τα κύτταρα στην άκρη εστιάζουν στην απόκτηση τροφής και στην αποτροπή των αρπακτικών, ενώ αυτά στον πυρήνα συχνά κυνηγούν και χρησιμεύουν ως αποθέματα. Τα κελιά μέσα περνούν επίσης τη λεπτή γραμμή μεταξύ της κοινής χρήσης πόρων και του ανταγωνισμού για αυτούς. Η επιτυχία ή η αποτυχία όλων αυτών των αλληλεπιδράσεων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από ακριβείς λεπτομέρειες των δυναμικών φυσικών συνθηκών στις οποίες αναπτύσσονται τα βιοφίλμ, οι οποίες μπορούν να αλλάξουν σημαντικά σε μια κλίμακα μικρών.

Αυτό που προκύπτει, λέει ο Coyte, είναι ένας πολύπλοκος συνεταιρισμός που φαίνεται και δρα διαφορετικά από τα βακτήρια που αναπτύσσονται σε καθαρή καλλιέργεια. "Έχουμε τη συνήθεια να σκεφτόμαστε την εξέλιξη των βακτηρίων στα πιάτα Petri, πράγμα που σημαίνει ότι χάνουμε κρίσιμους παράγοντες για τις πιέσεις επιλογής με βάση τη φυσική", είπε.

Οι πρώτοι ερευνητές βιοφίλμ εστίασαν περισσότερο στα χημικά περιβάλλοντα αυτών των μικροβιακών κοινοτήτων παρά στις φυσικές δυνάμεις που διέπουν επίσης την ύπαρξή τους, σύμφωνα με τον Knut Drescher, βιοφυσικό στο Ινστιτούτο Max Planck για την Επίγεια Μικροβιολογία στο Marburg της Γερμανίας. Τα τελευταία πέντε έως δέκα χρόνια, οι πρόοδοι στη μηχανική μικροκλίμακα και στη μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης επέτρεψαν στους επιστήμονες να μετρήσουν τις φυσικές δυνάμεις που δρουν σε μεμονωμένα κύτταρα και να αναπαράγουν μια σειρά περιβαλλοντικών συνθηκών στο εργαστήριο που επέτρεψαν στους επιστήμονες να αρχίσουν να παρακολουθούν το σχηματισμό ενός βιοφίλμ, κύτταρο με κύτταρο.

«Αν θέλετε να καταλάβετε πώς αναπτύσσεται ένα βιοφίλμ, πρέπει να δείτε μεμονωμένα κύτταρα. Η αρχιτεκτονική και η φυσιολογία που προκύπτει προκύπτουν από αυτές τις αλληλεπιδράσεις», είπε ο Drescher.

Ακόμη και τα πρώτα πειράματα στις φυσικές δυνάμεις που επηρεάζουν ένα αναπτυσσόμενο βιοφίλμ αμφισβήτησαν τις υπάρχουσες ιδέες. Τα μικρορευστοποιημένα τσιπ έδειξαν ότι η υφή και το σχήμα της επιφάνειας στην οποία προσκολλήθηκαν τα μικρόβια ήταν πολύ πιο σημαντικά από ό,τι πίστευε κανείς, επειδή έλεγχαν την κατανομή των θρεπτικών συστατικών και το σχήμα του βιοφίλμ που προέκυψε. Ομοίως, το νερό που ρέει γρήγορα μπορεί να εμποδίσει το σχηματισμό βιοφίλμ επειδή οι υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης μπορούν να αποσπάσουν χαλαρά κύτταρα.

Όμως οι ερευνητές βρήκαν εξαιρέσεις. Το 2008, η Wendy Thomas, βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, έδειξε ότι ορισμένα στελέχη του E. coli έχουν εξελιχθεί κροσσοειδή νήματα πρόσδεσης που ονομάζονται κροσσοί που προσκολλώνται καλύτερα σε νερό με γρήγορη ροή παρά σε ένα πιο τυρπικό ρεύμα. Άλλα βακτήρια δημιουργούν έναν διαφορετικό τύπο εξωκυτταρικής μήτρας που τους προσδίδει ανώτερη κολλητική αντοχή σε περιοχές με υψηλές ποσότητες υδροδυναμικής διάτμησης. Η εικόνα γίνεται μόνο πιο περίπλοκη καθώς οι ερευνητές αναγνωρίζουν περισσότερα στρώματα φυσικών μεταβλητών και βιολογικών αποκρίσεων ως συναφών.

Αυτή η πολυπλοκότητα αποδεικνύεται ότι είναι απαραίτητη για την κατανόηση των πραγματικών συμπεριφορών πολλών βακτηρίων. Σκεφτείτε το βακτήριο Pseudomonas aeruginosa, που μπορεί να προκαλέσει απειλητικές για τη ζωή λοιμώξεις σε ανοσοκατεσταλμένα άτομα και μπορεί να σχηματίσει ανθεκτικά βιοφίλμ σε ιατρικό εξοπλισμό όπως αναπνευστήρες και καθετήρες. Όπως ο E. coli , Ψευδομόνας Τα στελέχη διαφέρουν ως προς τον τύπο των μορίων μήτρας που παράγουν, εάν τα παράγουν καθόλου. Τον Ιανουάριο του 2017, οι Bassler, Drescher και οι συνεργάτες τους έδειξαν ότι, σε απλά περιβάλλοντα, τα στελέχη που παράγουν μήτρα κερδίζουν πάντα τα ξαδέρφια τους που δεν παράγουν.

Στη συνέχεια οι επιστήμονες έκαναν το περιβάλλον πιο περίπλοκο, αντικαθιστώντας απλές γραμμικές δομές με καμπύλες ή διακλαδισμένες. Αυτό το φιδίσιο δίκτυο δημιούργησε κυκλοφοριακά προβλήματα, έναν αυξανόμενο πόνο κοινό σε όλες τις αναπτυσσόμενες περιοχές. Αρχικά, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ο Ψευδομόνας που παράγει μήτρα ξεπέρασαν τους γείτονές τους γιατί μπορούσαν να κολλήσουν στην επιφάνεια παρά τη συνεχή ροή του νερού. Μετά άρχισαν τα προβλήματα. Το βιοφίλμ των παραγωγών μήτρας που προέκυψε μεγάλωσε τόσο πολύ που διέκοψε τη δική του ροή νερού και θρεπτικών ουσιών, παρέχοντας μια τέλεια θέση χωρίς ροή στην οποία κύτταρα χωρίς μήτρα θα μπορούσαν να αναπτυχθούν χωρίς ανταγωνισμό από τους ομολόγους τους που παράγουν μήτρα. Η ροή του νερού και η μικροδομή της επιφάνειας, λοιπόν, επέτρεψαν διαφορετικά στελέχη του Pseudomonas να κυριαρχήσει στο βιοφίλμ που προκύπτει.

«Διαφορετικά στελέχη ή είδη βακτηρίων έχουν διαφορετικούς τύπους αλληλεπιδράσεων σε ένα βιοφίλμ, παρόμοιες με τις διαφορετικές δονήσεις που μπορείτε να έχετε σε διαφορετικές γειτονιές της ίδιας πόλης», σύμφωνα με την Carey Nadell, ανώτερη επιστήμονα στο εργαστήριο του Drescher και πρώτο συγγραφέα του νέου μελέτη που περιγράφει αυτό το έργο, το οποίο δημοσιεύτηκε φέτος στο eLife .

Στην ανάπτυξη των βιοφίλμ, η κούρσα δεν πηγαίνει πάντα στο γρήγορο. Η μελέτη του Coyte στο Proceedings of the National Academy of Sciences εξέτασε πώς η πιο μέτρια ανάπτυξη θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγαλύτερη μακροπρόθεσμη επιτυχία σε πολύπλοκα περιβάλλοντα. Τα μαθηματικά μοντέλα που επινόησε η Coyte υποστήριξαν αυτήν την υπόθεση, οπότε για να την εξερευνήσει περαιτέρω, κατασκεύασε το μικρορευστοποιημένο τσιπ που μιμήθηκε τον οικότοπο του εδάφους πολλών βιοφίλμ. Πρόσθεσε ετικέτα σε καθένα από τα δύο στελέχη E. coli — ένα που εξελίχθηκε σε βιομεμβράνες γρήγορα και ένα πιο αργά — με τον δικό του φθορίζοντα έγχρωμο δείκτη για την αναγνώριση τους στο μικροσκόπιο.

Αυτό που παρατήρησαν εκείνη και οι συνάδελφοί της ήταν ότι υπό συνθήκες χαμηλής ροής, τα αργά αναπτυσσόμενα στελέχη ευημερούσαν επειδή τα ταχέως αναπτυσσόμενα στελέχη έτειναν να κόβουν τη δική τους πρόσβαση στους πόρους. Όταν οι ταχύτητες ροής ήταν υψηλές, και οι δύο ποικιλίες συχνά απομακρύνονταν, αλλά τα ταχέως αναπτυσσόμενα στελέχη ήταν πιο επιτυχημένα στη διασπορά των κυττάρων κατάντη για να αποικίσουν άλλες τοποθεσίες. Σε ενδιάμεσες ταχύτητες ροής, τα αποτελέσματα ήταν πιο πολύπλοκα. Καθώς η ταχέως αναπτυσσόμενη Ε. coli Το βιοφίλμ έγινε πιο παχύρρευστο, μετατόπισε τη ροή του νερού και των θρεπτικών ουσιών προς τα πιο αργά αναπτυσσόμενα αδέρφια του. Αυτό το πλεονέκτημα δεν ήταν απαραιτήτως μόνιμο, ωστόσο:καθώς το πάχος του ίδιου του καλλιεργητή άρχισε να εμποδίζει την κίνηση του νερού, το πλεονέκτημα μπορούσε μερικές φορές να μετατοπιστεί πίσω στο ταχέως αναπτυσσόμενο στέλεχος. Αυτή η σταθεροποίηση μεταξύ των στελεχών μετριάστηκε τη συνολική ανάπτυξη του βιοφίλμ, ωστόσο και τα δύο στελέχη συνέχισαν να αναπτύσσονται και να διασπείρουν τα κύτταρα.

«Οι προηγούμενες μελέτες ήταν περιγραφικές. δεν ήταν αρκετά ποσοτικά. Αυτές οι μελέτες βοήθησαν να αλλάξει αυτό», λέει ο Yang Liang, μικροβιολόγος στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang στη Σιγκαπούρη, ο οποίος συνέγραψε μια ανασκόπηση της δουλειάς των Coyte και Nadell στο Trends in Microbiology. Ακόμη και μικροσκοπικές αλλαγές στη δομή της επιφάνειας ή στη ροή του νερού μπορούν να αλλάξουν τα μικρόβια που ευδοκιμούν — εάν επιβιώσουν καθόλου.

Τα αντιβιοτικά έχουν κάνει θαύματα στην καταπολέμηση πολλών τύπων διάσπαρτων λοιμώξεων, αλλά τα βακτήρια που αναπτύσσονται ως βιοφίλμ είναι πολύ λιγότερο ευάλωτα και πολύ πιο ανθεκτικά. Οι δεκαετίες που δαπανήθηκαν ρίχνοντας όλο και πιο ισχυρά αντιβιοτικά σε βιομεμβράνες δεν έχουν ανατρέψει τους αριθμούς θανάτων από αυτά. Η εστίαση στους βιοφυσικούς κανόνες που ελέγχουν αυτές τις βακτηριακές πόλεις σε μικροκλίμακα θα μπορούσε απλώς να δώσει στους επιστήμονες έναν τρόπο να σταματήσουν την αστική εξάπλωση και να δώσουν σε περισσότερους ανθρώπους μια ευκαιρία μάχης.