Dai fenotipi rumorosi a un evento di transizione da mono a multistrato statisticamente preciso. un , Le cellule striate su una piastra di agar ricca di sostanze nutritive (1) vengono trasferite nel mezzo liquido (2), quindi seminate all'interno della camera microfluidica, qui Ci denota singole colonie (3), per l'imaging time-lapse a contrasto di fase (4) nella piscina (S). b , Le immagini grezze delle colonie in crescita (1) sono binarizzate per estrarre i tratti fenotipici (2) e codificate a colori per visualizzare l'orientamento cellulare locale (3,4). c , Tratti geometrici unicellulari:AR e ℓ b . d ,e , A c è indipendente dalla temperatura di crescita (d ), come rivelato sia nella nostra teoria che negli esperimenti, mentre t c dipende dalla temperatura (e ). I punti blu e rossi indicano repliche biologiche distinte (incluse repliche tecniche multiple) per A c e t c dati sperimentali. A c ha una grande variazione in tutte le T , mentre t c ha una bassa varianza, che si riduce ulteriormente con la temperatura di crescita. f , Rumore fenotipico specifico del tratto, quantificato come varianza normalizzata, F = var(⋯)/〈⋯〉 2 , attraverso T :ℓ b (quadrati blu), A c (triangoli rossi), tempo di raddoppio della lunghezza della cella τ sc (diamanti neri), AR (triangoli magenta) e t c (cerchi verdi). Nonostante l'elevato rumore fenotipico su scala individuale (ℓ b , AR e τ sc ), t c è statisticamente preciso (il rumore corrispondente è di ordini di grandezza inferiori su tutte le T ). La barra di errore indica la deviazione standard di F tra le colonie. Credito:Fisica della natura (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01641-9
I batteri collaborano e si coordinano collettivamente mentre formano una struttura condivisa chiamata biofilm, come la placca dentale sui nostri denti o il microbioma associato al nostro intestino. Questa auto-organizzazione in più strati complessi, nonostante le variazioni delle proprietà cellulari a livello individuale, richiede che i sistemi viventi condividano un tempo comune, ma preciso, che ora è stato scoperto dai fisici dell'Università del Lussemburgo.
Il Prof. Anupam Sengupta e il suo team lo hanno spiegato ingrandendo la crescita e lo sviluppo di biofilm batterici nascenti, in cui scoprono discussioni incrociate emergenti tra proprietà biofisiche che consentono tempi precisi delle transizioni strutturali, topologiche e idrodinamiche su scala di popolazione. I risultati rivoluzionari compaiono nella recente edizione della rivista Nature Physics .
I biofilm batterici si trovano su quasi tutte le superfici naturali e artificiali che incontriamo. Sono cruciali per l'esistenza umana:da quelli nell'intestino che regolano il nostro benessere fisico, a quelli che regolano la progressione dei tumori e tengono in equilibrio il nostro ecosistema. Grazie agli squisiti meccanismi di feedback fisico-chimico che mediano i loro prolifici stili di vita associati alla superficie, i biofilm sono altamente resilienti e possono colonizzare diversi sistemi.
La recente ricerca unicellulare del Prof. Sengupta e collaboratori ha rivelato ruoli critici che la geometria unicellulare e la dinamica di crescita giocano nel plasmare le proprietà dinamiche degli strati batterici in crescita. Tuttavia, come la variabilità nelle statistiche a livello cellulare, un attore del tutto sconosciuto nei modelli esistenti di materia vivente e attiva, influisca sui fenomeni collettivi emergenti nei biofilm batterici è rimasta una sfida, e quindi in gran parte inesplorata.
Ora, i ricercatori del Physics of Living Matter Group dell'Università del Lussemburgo risolvono questo enigma di vecchia data:come i biofilm, e i sistemi viventi in generale, regolano i tempi degli eventi chiave dello sviluppo che emergono da individui con attributi altamente variabili e dinamici. Adottando un approccio interdisciplinare quantitativo per spiare all'interno di biofilm batterici nascenti, il team del Prof. Sengupta fornisce le basi meccanicistiche di come i passaggi di sviluppo tempestivi emergono collettivamente a causa dell'autoregolazione dei tratti a livello cellulare, che dialogano per mitigare ciascuno altri effetti rumorosi, consentendo in definitiva una tempistica precisa degli eventi chiave dello sviluppo.
Il lavoro approfondisce la razionalizzazione dei risultati, fornendo un quadro fisiologicamente coerente basato sui requisiti metabolici durante le prime fasi dello sviluppo del biofilm. I risultati dimostrano come l'autoregolazione del rumore fenotipico guidi transizioni tempestive nella struttura, nella topologia e nei flussi attivi nelle colonie batteriche, evidenziando il ruolo strategico della fisica nella comprensione dei sistemi biologici. Il lavoro rientra ampiamente nell'iniziativa Physics Meets Biology all'interno dell'Università del Lussemburgo.
I fenotipi rumorosi determinano eventi di sviluppo tempestivi
Nonostante la variabilità dei tratti fenotipici, come la geometria cellulare, i tassi di crescita e l'associazione di superficie, i biofilm batterici subiscono fasi di sviluppo critiche nel loro ciclo di vita in punti temporali precisi, a partire dalla transizione da mono a multistrato (MTMT). A seguito di questa transizione strutturale chiave, viene avviata una cascata emergente, che sincronizza in modo sincrono i cambiamenti nella topologia e nei campi di flusso attivi all'interno e nelle vicinanze dei biofilm nascenti.
Il catalogo dei tratti fenotipici chiave in Escherichia coli e Serratia marcescens che crescono in condizioni diverse (livelli di nutrienti e temperature), consentendo un attento controllo dell'attività biologica, e quantificano come i dialoghi tra i rumori fenotipici determinino la tempestività dell'organizzazione strutturale e l'emergere di trasporto locale attivo. Questo lavoro crea così il primo legame diretto e meccanicistico tra la variabilità del livello cellulare dipendente dall'attività e le proprietà emergenti su scala di popolazione nei sistemi viventi.
Figura 1. La transizione strutturale dei biofilm nascenti da mono a multistrato determina il trasporto sincrono emergente intorno alla colonia. Il fenomeno del trasporto attivo è stato scoperto visualizzando lo spostamento di particelle di dimensioni micrometriche nel tempo (mostrato nell'immagine a sei pannelli con bordo arancione). Credito:Università del Lussemburgo
Sfruttando un approccio multiscala e interdisciplinare
Utilizzando una combinazione di imaging time-lapse a cella singola, velocimetria dell'immagine delle particelle, simulazioni numeriche e modellazione del continuo, il team quantifica la variabilità a livello cellulare in termini di rumore fenotipico e scopre i compromessi che alla fine sopprimono la variabilità nelle proprietà emergenti e le rendono sincrono. In particolare, un compromesso tra il rumore nella geometria cellulare e il tasso di crescita autoregola i tempi della transizione da mono a multistrato (MTMT), un passaggio chiave nell'inizio del biofilm, innescando una cascata idrodinamica attiva sincrona che alla fine guida un migliore trasporto locale attorno alle colonie batteriche confluenti.
Sorprendentemente, nonostante la specie non sia di natura mobile, l'idrodinamica attiva dipendente dalla crescita all'interno delle colonie confluenti innesca flussi locali nei loro dintorni che sono abbastanza forti da distruggere i cluster di particelle autoassemblati (usati come traccianti, vedere la Figura 1) e trasportarli attivamente nell'ambiente microbico. Il miglioramento del trasporto, in un ambiente altrimenti limitato dalla diffusione, di oltre due ordini di grandezza suggerisce le funzioni biologiche di tali flussi attivi nel trasporto di carichi molecolari e micro durante le prime fasi dello sviluppo del biofilm.
Questo lavoro presenta una svolta nel dominio della fisica della materia attiva microbica e fornisce un nuovo paradigma per comprendere come le popolazioni batteriche confluenti possono far fronte alle variazioni ambientali, comprese quelle imposte dallo stile di vita e dai cambiamenti climatici, sfruttando la loro variabilità su scala individuale.
Prospettive sul trasporto attivo sincrono nei biofilm nascenti
Il team dimostra che le colonie sessili possono generare e sfruttare flussi attivi per trasportare carichi biologici di dimensioni da micron a micron che si trovano ampiamente associati alle colonie batteriche. Presi insieme le dimensioni della campata del micro-carico associate che vanno da decine di nanometri a pochi micron. Il tipico micro-carico include cellule batteriche (diverse specie di trasportatori e merci di dimensioni micrometriche), spore fungine su scala micrometrica; liposomi e vescicole extracellulari che forniscono un carico genetico o biochimico (di dimensioni da decine a centinaia di nanometri), batteriofagi da autostop (centinaia di nanometri) e perline e capsule sintetiche rilevanti per la somministrazione di farmaci (dimensioni da sub-micron a decine di micron).
Il significato biologico del nesso sincrono nel tempo tra struttura-flusso-trasporto è su più fronti:la tempistica rigorosa degli eventi di estrusione presenta MTMT come proxy biofisico del rilevamento simile al quorum tra le colonie, con potenziali ramificazioni di e in selezione sincrona per cellule resistenti (ad esempio, contro gli antibiotici). Interrompere la tempistica MTMT ben definita (ad esempio, regolando in modo appropriato i fattori ambientali) potrebbe offrire future alternative per inibire il quorum sensing e quindi regolare la resistenza batterica agli antibiotici.
Guardando al futuro, sarà fondamentale capire come le colonie sessili sfruttino il tempo critico ben definito per sintonizzare le comunicazioni tra colonie in ambienti stressanti (nello spazio dei parametri del rumore intrinseco e della sincronicità temporale della struttura-flusso). I fenomeni spazio-temporali mediati dal rumore presentati in questo lavoro forniscono informazioni chiave mancanti sulla biofisica dello sviluppo della morfogenesi in sistemi con maggiore complessità, compresi i consorzi polimicrobici osservati nei microbiomi umani e vegetali e i sistemi di tessuti multicellulari rilevanti per l'embrione e il cancro progressione.
Questo lavoro apre nuovi percorsi di ricerca nei campi della fisica della materia attiva microbica, della fisica morbida e biologica e della biologia cellulare e, per l'importante ruolo dei biofilm batterici nel microbioma umano e nell'ecologia ambientale, anche nelle scienze biomediche e biotecnologiche. I risultati topologici strutturali e multicampo qui presentati attraverso la visione del Prof. Sengupta saranno consequenziali per diversi sistemi confluenti che abbracciano tessuti attivi e sistemi cellulari e un'ampia gamma di modelli organoidi.
Infine, questo lavoro fornisce un nuovo sistema di modelli sperimentali per la ricerca sulla materia attiva in cui entità passive coesistono con agenti attivi e ispirano una nuova classe di modelli teorici che incorporano variabilità cellulare e compromessi in essa per comprendere l'impatto del rumore, un variabile biofisica, sulle proprietà emergenti nei sistemi viventi. + Esplora ulteriormente
