Противоположные взаимодействия с разной дальностью действия создают сложные пространственные паттерны антибиотиковой толерантности в мультивидовых биопленках

Многие микробные сообщества образуют мультивидовые биопленки, где клетки взаимодействуют посредством диффундирующих молекул. В таких биопленках одновременно протекают многочисленные взаимодействия, часто с противоположными эффектами, однако у нас нет количественных подходов, позволяющих предсказать, как они в совокупности формируют функции сообщества. Мы выдвинули гипотезу, что сложные пространственные паттерны могут возникать, когда противоположные взаимодействия имеют различный пространственный радиус действия. Чтобы проверить это, мы изучали, как два экзопродукта Pseudomonas aeruginosa — HQNO и рамнополи́сахариды (rhamnolipids) — совместно модулируют антибиотиковую толерантность Staphylococcus aureus, соответственно повышая и понижая её. С помощью микрофлюидной визуализации мы количественно измеряли пространственные паттерны толерантности с разрешением до единичных клеток и обнаружили, что толерантность действительно демонстрирует сложный пространственный рисунок: клетки S. aureus выживали при обработке только на промежуточных расстояниях от P. aeruginosa, тогда как ближе и дальше выживаемость была низкой. Сочетая эксперименты и моделирование, мы показали, что этот необычный паттерн возникает потому, что рамнополисахариды оказывают более сильный, но короткодейственный эффект, тогда как HQNO действует слабее, но на больших расстояниях. Мы показали, что пространственное расположение влияет на общий уровень толерантности, сдвигая баланс между двумя противоположными взаимодействиями. Наконец, с помощью биопечати мы подтвердили, что HQNO и рамнополисахариды модулируют толерантность в сильно перемешанных биопленках. В более сегрегированных биопленках пространственное расположение по-прежнему сильно влияло на толерантность, но независимо от этих соединений, что указывает на наличие дополнительных взаимодействий. В совокупности наши результаты показывают, что пространственные паттерны толерантности возникают из суммарного эффекта противоположных взаимодействий с различной дальностью действия и не могут быть предсказаны по отдельности. Предсказывая, как противоположные взаимодействия совместно определяют свойства сообщества, наша методология закладывает основу для понимания и, в конечном счёте, инженерии функций микробиомов.