La viscoelasticità migliora il movimento collettivo dei batteri Riepilogo I batteri formano il microbiota umano e animale. Sono le principali cause di molte infezioni e costituiscono un’importante classe di sostanze attive. Le sospensioni batteriche concentrate mostrano locomozione e sciamatura di tipo turbolento su larga scala. Mentre il comportamento collettivo dei batteri nei fluidi newtoniani è relativamente ben compreso, molte domande fondamentali rimangono aperte per i fluidi complessi. Qui riportiamo il movimento batterico collettivo in un ambiente viscoelastico biologico non newtoniano rappresentativo esemplificato dal muco . Gli esperimenti vengono eseguiti con muco gastrico suino sintetico, muco cervicale bovino naturale e una soluzione polimerica simile a Newton. Abbiamo scoperto che un aumento della concentrazione di mucina e, corrispondentemente, un aumento dell’elasticità della sospensione aumenta monotonicamente la scala di lunghezza della locomozione batterica collettiva. Al contrario, questa lunghezza rimane praticamente invariata in una soluzione polimerica newtoniana in un ampio intervallo di concentrazioni. Le osservazioni sperimentali sono supportate da modelli computazionali. I nostri risultati forniscono informazioni su come la viscoelasticità influisce sull’organizzazione spaziotemporale della materia attiva batterica. Inoltre ampliano la nostra comprensione della colonizzazione batterica delle superfici delle mucose e dell’emergere della resistenza agli antibiotici dovuta allo sciame. |
Dichiarazione di importanza
Il muco, una sostanza gelatinosa viscoelastica, è essenziale per molte funzioni biologiche . Il muco riveste le superfici di cellule e tessuti. È permeabile all’ossigeno e alle sostanze nutritive e protegge da agenti patogeni come batteri, funghi e virus. Comprendere la motilità batterica nei fluidi simili al muco fornisce informazioni sulle infezioni nate da batteri, comprese le malattie gastriche e trasmesse sessualmente. Questo lavoro dimostra che la viscoelasticità del muco migliora l’organizzazione batterica, portando alla comparsa di gruppi batterici in movimento coerente. I risultati fanno luce su come la viscoelasticità controlla l’organizzazione spaziotemporale delle comunità batteriche e forniscono informazioni su come controllare e prevenire l’invasione batterica delle superfici della mucosa.
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Un nuovo studio mostra che il muco più denso aumenta la capacità dei batteri di auto-organizzarsi in sciami per diffondere le infezioni
Tirare su col naso, starnutire e naso che cola sono segni distintivi della stagione del raffreddore e dell’influenza, e l’aumento del muco è esattamente ciò che i batteri usano per sferrare un attacco coordinato al sistema immunitario, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori della Penn State. Il team ha scoperto che quanto più denso è il muco, tanto migliore è la proliferazione dei batteri. I risultati potrebbero avere implicazioni per trattamenti che riducono la capacità dei batteri di diffondersi.
Lo studio, pubblicato sulla rivista PNAS Nexus , dimostra come i batteri utilizzano il muco per migliorare la loro capacità di auto-organizzarsi e possibilmente causare infezioni. Gli esperimenti, eseguiti con muco sintetico proveniente dallo stomaco di maiale, muco cervicale naturale di mucca e un composto polimerico idrosolubile chiamato polividone , hanno rivelato che i batteri coordinano il movimento meglio nel muco denso che nelle sostanze acquose.
I risultati forniscono informazioni su come i batteri colonizzano il muco e le superfici delle mucose, hanno detto i ricercatori. I risultati mostrano anche come il muco favorisca il movimento collettivo batterico, o sciamatura, che può aumentare la resistenza agli antibiotici delle colonie batteriche.
"Per quanto ne sappiamo, il nostro studio è la prima dimostrazione di batteri che nuotano collettivamente nel muco", ha affermato Igor Aronson, professore Huck Chair di ingegneria biomedica, chimica e matematica alla Penn State e autore corrispondente dell’articolo. "Abbiamo dimostrato che il muco, a differenza dei liquidi di consistenza simile, migliora il comportamento collettivo."
Il muco è essenziale per molte funzioni biologiche, ha spiegato Aronson. Copre le superfici di cellule e tessuti e protegge da agenti patogeni come batteri, funghi e virus. Ma è anche il materiale che ospita infezioni batteriche, comprese le malattie gastriche e trasmesse sessualmente. Secondo Aronson, una migliore comprensione di come i batteri sciamano nel muco potrebbe aprire la strada a nuove strategie per combattere le infezioni e il crescente problema della resistenza agli antibiotici.
"I nostri risultati dimostrano come la consistenza del muco influenzi il movimento casuale dei singoli batteri e influenzi la loro transizione verso il movimento collettivo coordinato di grandi gruppi batterici", ha affermato Aronson. "Esistono studi che dimostrano che il movimento collettivo o la sciamatura di batteri migliora la capacità delle colonie batteriche di difendersi dall’effetto degli antibiotici. L’aspetto del comportamento collettivo studiato nel nostro lavoro è direttamente correlato alla sciamatura."
Il muco è una sostanza notoriamente difficile da studiare perché presenta proprietà sia liquide che solide, ha spiegato Aronson. I liquidi sono generalmente descritti dal loro livello di viscosità, da quanto è denso o sottile il liquido, mentre i solidi sono descritti dalla loro elasticità, quanta forza può essere necessaria prima della rottura. Il muco, un fluido viscoelastico, si comporta sia come liquido che come solido.
Per comprendere meglio come il muco si infetta, il team ha utilizzato tecniche di imaging microscopico per osservare il movimento collettivo dei batteri concentrati Bacillus subtilis nel muco sintetico dello stomaco del maiale e nel muco cervicale naturale della mucca. Hanno confrontato questi risultati con le osservazioni di Bacillus subtilis che si muoveva in un polimero di polividone idrosolubile in un ampio intervallo di concentrazioni, da livelli di polividone alti a bassi. I ricercatori hanno anche confrontato i loro risultati sperimentali con un modello computazionale per il movimento collettivo dei batteri nei fluidi viscoelastici come il muco.
Il team ha scoperto che la consistenza del muco influenza profondamente il comportamento collettivo dei batteri. I risultati hanno indicato che quanto più denso è il muco, tanto più è probabile che i batteri manifestino movimenti collettivi, formando uno sciame coordinato.
"Siamo stati in grado di dimostrare come la viscoelasticità del muco migliora l’organizzazione batterica, che a sua volta porta a gruppi batterici che si muovono in modo coerente e causano infezioni", ha detto Aronson. “I nostri risultati rivelano che l’elasticità del muco e i livelli di viscosità sono un fattore importante nel modo in cui sono organizzate le comunità batteriche, il che può fornire informazioni su come possiamo controllare e prevenire l’invasione batterica nel muco”.
Aronson ha spiegato che il team si aspetta che il muco umano mostri proprietà fisiche simili, il che significa che i loro risultati sono rilevanti anche per la salute umana.
"L’inizio del movimento collettivo dei batteri e la loro interazione con il muco dovrebbero essere gli stessi del muco di mucca, maiale o umano, poiché queste sostanze hanno proprietà meccaniche simili", ha detto Aronson. "I nostri risultati hanno implicazioni per la salute umana e animale. Stiamo dimostrando che la viscoelasticità del muco può migliorare il movimento collettivo dei batteri su larga scala, il che può accelerare la velocità con cui i batteri penetrano nella barriera protettiva del muco e infettano i tessuti interni".
