Bakteri membentuk biofilm seperti pemukim dari kota – Sains Terkini

Ahli mikrobiologi telah lama mengadopsi bahasa pemukiman manusia untuk menggambarkan bagaimana bakteri hidup dan tumbuh: Mereka "menyerang" dan "menjajah." Hubungan yang tinggal dalam jarak dekat adalah "koloni."

Dengan memasangkan teknologi pencitraan resolusi super dengan algoritma komputasi, sebuah studi baru di Komunikasi Alam menegaskan bahwa metafora ini lebih tepat daripada yang mungkin disadari oleh para ilmuwan. Temuan menunjukkan bahwa, ketika bakteri individu berkembang biak dan tumbuh menjadi biofilm yang padat dan lengket, seperti komunitas yang membentuk plak gigi, pola pertumbuhan dan dinamika mereka mencerminkan apa yang terlihat dalam pertumbuhan kota.

"Kami mengambil pandangan 'tingkat satelit' ini, mengikuti ratusan bakteri yang terdistribusi pada permukaan dari kolonisasi awal mereka hingga pembentukan biofilm," kata Hyun (Michel) Koo, seorang profesor di Sekolah Kedokteran Gigi Penn dan penulis senior dalam penelitian ini. "Dan apa yang kita lihat adalah bahwa, secara luar biasa, fitur spasial dan struktural dari pertumbuhan mereka analog dengan apa yang kita lihat dalam urbanisasi."

Perspektif baru ini tentang bagaimana biofilm tumbuh dapat membantu menginformasikan upaya baik untuk mempromosikan pertumbuhan mikroba menguntungkan atau memecah dan membunuh biofilm yang tidak diinginkan dengan terapi.

Gagasan untuk penelitian ini muncul dari percakapan di antara Koo; Geelsu Hwang, asisten profesor Kedokteran Gigi Penn yang menerapkan teknik untuk masalah kesehatan mulut; dan Amauri Paula, seorang ahli fisika yang bekerja sebagai profesor tamu di lab Koo.

"Biasanya ketika orang mempelajari biofilm, mereka menganalisis satu sel dalam bidang pandang yang sempit saat berkembang biak, menjadi sebuah kelompok, dan mulai menumpuk," kata Koo. "Tetapi kami bertanya-tanya apakah kami mengikuti beberapa sel secara bersamaan apakah kami dapat mengidentifikasi beberapa pola pada skala panjang."

Hwang mengembangkan alat pencitraan time-lapse yang kuat, menggunakan mikroskop pemindaian laser confocal yang mampu menganalisis topografi permukaan dan melacak bakteri yang mengisi permukaan ke sel individu dalam tiga dimensi dari waktu ke waktu. Sementara itu, Paula bekerja untuk membangun algoritma yang dapat menganalisis perilaku pertumbuhan ini dari waktu ke waktu.

Untuk studi mereka, mereka menggunakan mikroba Streptococcus mutans, suatu patogen oral yang menyebabkan rongga ketika membentuk biofilm yang lebih dikenal sebagai plak gigi dan melepaskan asam yang merusak email gigi.

Mereka mendistribusikan bakteri pada bahan seperti email gigi dan mengikuti ratusan mikroba individu selama beberapa jam saat mereka membelah dan tumbuh.

Secara keseluruhan, pola pertumbuhan mengingatkan pada pembentukan daerah perkotaan, tim menemukan. Beberapa "pemukim" individu tumbuh, berkembang menjadi "desa" bakteri kecil. Kemudian, ketika batas desa bertambah dan, dalam beberapa kasus bertemu, mereka bergabung untuk membentuk desa yang lebih besar dan akhirnya "kota." Beberapa kota ini kemudian bergabung untuk membentuk "kota-kota besar" yang lebih besar.

Yang mengejutkan para peneliti, hasil mereka menunjukkan bahwa hanya sebagian dari bakteri yang tumbuh. "Kami berpikir bahwa sebagian besar bakteri individu akan berakhir tumbuh," kata Koo. "Tetapi jumlah sebenarnya kurang dari 40%, dengan sisanya mati atau dilanda pertumbuhan mikrokoloni lainnya."

Mereka juga tidak berharap kurangnya penghambatan ketika penelanan ini terjadi. Mereka berpikir bahwa, ketika mikrokoloni yang berbeda bertemu, mereka mungkin bersaing satu sama lain, menyebabkan kedua ujungnya mungkin menolak.

"Sebaliknya mereka bergabung dan mulai tumbuh sebagai satu kesatuan," kata Koo.

Pada bakteri individu dan skala biofilm, para peneliti mengkonfirmasi bahwa sekresi mirip perekat yang dikenal sebagai zat polimer ekstraseluler (EPS) memungkinkan bakteri untuk dikemas bersama secara erat dan tegas dalam biofilm. Ketika mereka memperkenalkan enzim yang mencerna EPS, komunitas tersebut larut dan kembali ke kumpulan bakteri individu.

"Tanpa EPS, mereka kehilangan kemampuan untuk mengemas dan membentuk 'kota-kota ini'," kata Koo.

Akhirnya, para peneliti bereksperimen untuk melihat bagaimana penambahan "teman" atau "musuh" mikroba akan mempengaruhi pertumbuhan bakteri asli. "Musuh" itu Streptococcus oralis, bakteri yang dapat menghambat pertumbuhan S. mutans. Penambahan ini secara dramatis mengganggu kemampuan S. mutans untuk membentuk "kota-kota" yang lebih besar, seperti tetangga-tetangga yang mengganggu yang dapat memengaruhi pertumbuhan kolektif masyarakat.

"Teman" – jamur Candida albicans, yang ditemukan oleh Koo dan orang lain untuk berinteraksi S. mutans dalam biofilm dan berkontribusi terhadap kerusakan gigi – tidak mempengaruhi laju pertumbuhan biofilm tetapi membantu menjembatani mikrokoloni yang berdekatan, memungkinkan pengembangan "kota-kota" yang lebih besar.

Koo memperingatkan tentang mengambil metafora urbanisasi dari pertumbuhan biofilm terlalu jauh tetapi menggarisbawahi pelajaran berguna yang dapat dihasilkan dari mempelajari sistem secara holistik dan dengan melihat peristiwa di bawah pandangan "close-up" dan "eye bird".

"Ini analogi yang berguna, tetapi harus diambil dengan sebutir garam," kata Koo. "Kami tidak mengatakan bakteri ini bersifat antropomorfis. Tetapi mengambil perspektif pertumbuhan biofilm ini memberi kita gambaran multidimensi dan multidimensi tentang bagaimana mereka tumbuh yang belum pernah kita lihat sebelumnya."

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.