As bactérias colaboram e se coordenam coletivamente à medida que formam uma estrutura compartilhada chamada biofilme, como a placa dentária em nossos dentes ou o microbioma associado ao nosso intestino. Essa auto-organização em várias camadas complexas – apesar das variações das propriedades celulares em nível individual – exige que os sistemas vivos compartilhem um tempo comum, mas preciso, que agora foi descoberto por físicos da Universidade de Luxemburgo.
O Prof. Anupam Sengupta e sua equipe explicaram isso ampliando o crescimento e desenvolvimento de biofilmes bacterianos nascentes, onde eles descobrem conversas cruzadas emergentes entre propriedades biofísicas que permitem o tempo preciso de transições estruturais, topológicas e hidrodinâmicas nas escalas populacionais. As descobertas inovadoras aparecem na recente edição da revista Nature Physics .

Biofilmes bacterianos são encontrados em quase todas as superfícies naturais e artificiais que encontramos. Eles são cruciais para a existência humana:desde aqueles no intestino que regulam nosso bem-estar físico, até os que regulam a progressão de cânceres e mantêm nosso ecossistema em equilíbrio. Graças aos requintados mecanismos de feedback físico-químico que mediam seus estilos de vida prolíficos associados à superfície, os biofilmes são altamente resilientes e podem colonizar diversos sistemas.

Pesquisas unicelulares recentes do Prof. Sengupta e colaboradores revelaram papéis críticos que a geometria unicelular e a dinâmica de crescimento desempenham na formação das propriedades dinâmicas das camadas bacterianas em crescimento. No entanto, como a variabilidade nas estatísticas em nível de célula - um participante totalmente desconhecido nos modelos existentes de matéria viva e ativa - afeta fenômenos coletivos emergentes em biofilmes bacterianos continua sendo um desafio e, portanto, amplamente inexplorado.

Agora, pesquisadores do Grupo de Física da Matéria Viva da Universidade de Luxemburgo resolvem esse enigma de longa data:como os biofilmes – e os sistemas vivos em geral – regulam o tempo dos principais eventos de desenvolvimento que emergem de indivíduos com atributos altamente variáveis ​​e dinâmicos. Adotando uma abordagem quantitativa interdisciplinar para espionar dentro de biofilmes bacterianos nascentes, a equipe do Prof. efeitos ruidosos de outros, em última análise, permitindo um tempo preciso dos principais eventos de desenvolvimento.

O trabalho se aprofunda na racionalização dos resultados, fornecendo um quadro fisiologicamente consistente com base nas necessidades metabólicas durante os estágios iniciais do desenvolvimento do biofilme. Os resultados demonstram como a autorregulação do ruído fenotípico conduz transições bem cronometradas na estrutura, topologia e fluxos ativos em colônias bacterianas, destacando o papel estratégico da física na compreensão de sistemas biológicos. O trabalho se encaixa amplamente na iniciativa Physics Meets Biology da Universidade de Luxemburgo.

Fenótipos barulhentos impulsionam eventos de desenvolvimento oportunos

Apesar da variabilidade nas características fenotípicas, como geometria celular, taxas de crescimento e associação de superfície, os biofilmes bacterianos passam por etapas críticas de desenvolvimento em seu ciclo de vida em pontos de tempo precisos, começando com a transição de mono para multicamadas (MTMT). Após essa transição estrutural chave, uma cascata emergente é desencadeada, sincronizando as mudanças na topologia e nos campos de fluxo ativo dentro e nas proximidades dos biofilmes nascentes.

O catálogo de características fenotípicas chave em Escherichia coli e Serratia marcescens crescendo sob diversas condições (níveis de nutrientes e temperaturas), permitindo o controle cuidadoso da atividade biológica, e quantificar como as conversas cruzadas entre ruídos fenotípicos determinam a oportunidade da organização estrutural e emergência de transporte local ativo. Este trabalho, portanto, forja a primeira ligação direta e mecanicista entre a variabilidade do nível celular dependente da atividade e as propriedades emergentes em escala populacional em sistemas vivos.

Aproveitando uma abordagem de escala cruzada e interdisciplinar

Usando uma combinação de imagens de lapso de tempo de célula única, velocimetria de imagem de partículas, simulações numéricas e modelagem contínua, a equipe quantifica a variabilidade no nível da célula em termos de ruído fenotípico e descobre compensações que, em última análise, suprimem a variabilidade nas propriedades emergentes e as processam síncrono. Especificamente, um trade-off entre o ruído na geometria da célula e a taxa de crescimento autorregulam o tempo da transição de mono para multicamadas (MTMT), um passo fundamental na iniciação do biofilme, desencadeando uma cascata hidrodinâmica ativa síncrona que em última análise, impulsiona o transporte local aprimorado em torno das colônias bacterianas confluentes.

Notavelmente, apesar das espécies não serem de natureza móvel, a hidrodinâmica ativa dependente do crescimento dentro das colônias confluentes desencadeia fluxos locais em seus arredores que são fortes o suficiente para romper aglomerados de partículas auto-montadas (usados ​​como marcadores, veja a Figura 1) e transportá-los ativamente em todo o ambiente microbiano. O aumento no transporte - em um ambiente de difusão limitada - por mais de duas ordens de magnitude sugere funções biológicas de tais fluxos ativos no transporte de carga molecular e micro durante os estágios iniciais do desenvolvimento do biofilme.

Este trabalho apresenta um avanço no domínio da física da matéria ativa microbiana e fornece um novo paradigma para entender como as populações bacterianas confluentes podem lidar com as variações ambientais, incluindo aquelas impostas pelo estilo de vida e mudanças climáticas, aproveitando sua variabilidade em escala individual.

Perspectivas sobre o transporte ativo síncrono em biofilmes nascentes

A equipe demonstra que as colônias sésseis podem gerar e aproveitar fluxos ativos para transportar cargas biológicas de tamanho sub-micron para micron que são amplamente encontradas associadas a colônias bacterianas. Em conjunto, as dimensões de extensão de microcarga associadas variam de dezenas de nanômetros a alguns mícrons. Microcargas típicas incluem células bacterianas (diferentes espécies de transportadores e cargas de tamanho mícron), esporos fúngicos em escala mícron; lipossomas e vesículas extracelulares que fornecem carga genética ou bioquímica (dezenas a centenas de nanômetros de tamanho), bacteriófagos de carona (centenas de nanômetros) e esferas e cápsulas sintéticas relevantes para entrega de drogas (sub-mícrons a dezenas de mícrons de tamanho).

O significado biológico do nexo tempo-síncrono entre estrutura-fluxo-transporte é multifacetado:o tempo estrito dos eventos de extrusão apresenta o MTMT como um proxy biofísico para o sensoriamento tipo quorum entre as colônias, com potenciais ramificações de e em seleção síncrona para células resistentes (por exemplo, contra antibióticos). Interromper o tempo bem definido do MTMT (por exemplo, ajustando adequadamente os fatores ambientais) poderia oferecer alternativas futuras para inibir o quorum-sensing e, assim, regular a resistência bacteriana aos antibióticos.

Olhando para o futuro, será fundamental entender como as colônias sésseis aproveitam o tempo crítico bem definido para ajustar as comunicações entre colônias sob ambientes estressantes (no espaço de parâmetros de ruído intrínseco e sincronicidade de tempo de fluxo de estrutura). Os fenômenos espaço-temporais mediados por ruído apresentados neste trabalho fornecem informações importantes sobre a biofísica do desenvolvimento da morfogênese em sistemas com maior complexidade, incluindo consórcios polimicrobianos observados nos microbiomas humanos e vegetais e sistemas de tecidos multicelulares relevantes para embriões e câncer progressão.

Este trabalho abre novos caminhos de pesquisa nos campos da física da matéria ativa microbiana, física mole e biológica e biologia celular e, devido ao importante papel dos biofilmes bacterianos no microbioma humano e na ecologia ambiental, também nas ciências biomédicas e biotecnológicas. Os resultados topológicos estruturais e multicampo apresentados aqui através da visão do Prof. Sengupta serão importantes para diversos sistemas confluentes abrangendo tecidos ativos e sistemas celulares e uma ampla gama de modelos organoides.

Finalmente, este trabalho fornece um novo sistema de modelo experimental para pesquisa de matéria ativa onde entidades passivas coexistem com agentes ativos e inspira uma nova classe de modelos teóricos que incorporam variabilidade celular e trade-offs para entender o impacto do ruído, um fator intrínseco variável biofísica, em propriedades emergentes em sistemas vivos. + Explorar mais

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