Как вредные бактерии определяют, где сгруппироваться и вызвать инфекцию
Бактерия Pseudomonas aeruginosa опасна для человека. Серьёзные инфекции возникают, когда эти микробы образуют на поверхности биоплёнку — сообщество, подобное слизи на испорченной пище, но внутри организма.
Сгруппированные бактерии атакуют лёгкие пациентов с муковисцидозом и тех, кто находится на ИВЛ (например, при тяжёлом COVID-19). Всемирная организация здравоохранения (WHO) относит Pseudomonas к числу устойчивых к антибиотикам бактерий, представляющих наибольшую угрозу.
Новое исследование Калифорнийского нанотехнологического института (CNSI) в UCLA раскрыло, как Pseudomonas переходит от исследования поверхности к закреплению на ней и построению сообщества. Это ключевое открытие для борьбы с такими инфекциями.
Исследование показало, как Pseudomonas обнаруживает и связывается со специфическими сахарами, оставленными другими клетками своего вида. Клетка чувствует эти "сахарные тропы" с помощью белков на своей поверхности, а затем идентифицирует сахара с помощью волосовидных отростков — пилей. Обычно пили используются для движения по поверхности, но в данном случае они также выступают в роли механических сенсоров, проверяющих прочность сахарных связей.
Вся эта информация преобразуется внутри клетки в химические сигналы, которые управляют работой других бактериальных систем, например, контролируемой секрецией новых сахаров для построения биоплёнок.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Microbiology, могут найти применение в здравоохранении и промышленности. Для Pseudomonas это открытие может привести к новым подходам, подрывающим способность опасных бактерий сопротивляться лечению.
"Мы можем представить, как на основе этих результатов влиять на поведение бактерий", — сказал соавтор Уильям Шмидт, докторант по биоинженерии в UCLA. "Возможно, мы сможем превратить клетки в более восприимчивые к антибиотикам версии самих себя, которые легче лечить".
Разгадка микробиологической загадки
"Сахарные тропы", выделяемые бактериями, направляют организацию биоплёнок. До сих пор были неясны механизмы, с помощью которых клетки обнаруживают эти сахара на поверхности. Кроме того, белки клеточной мембраны, связывающиеся с определёнными сахарами, не имеют структур, необходимых для передачи сигнала, что было давней загадкой.
Новое исследование показало, что медиатором этой сигнализации выступает механическое чувствование с помощью пилей.
"Эта форма генерации сигнала нова для данной области", — сказал член CNSI Джерард Вонг, автор-корреспондент исследования и профессор биоинженерии. "Пили в основном рассматривали как придатки для передвижения. Оказывается, они также действуют как сенсоры, преобразующие силу в химические сигналы внутри бактерий, которые те используют для идентификации сахаров. Мы впервые видим, как сенсорная информация кодируется в бактериях их отростками".
Сахар, выделяемый бактериями, служит одновременно и "тропой" для других, и строительным материалом для их сообществ. На поздних стадиях развития биоплёнки эти бактериальные сахара помогают закрепить скопление микробов и формируют окружающий матрикс, защищающий от угроз.
Для изучения этой системы исследователи создали поверхность с заранее нанесёнными "тропами" из синтетического сахара, имитирующего естественный и особенно привлекательного для Pseudomonas. Используя генную инженерию и передовые методы отслеживания клеток, команда раскрыла скоординированную систему, сочетающую химическое и механическое чувствование.
Значение открытий для здоровья и общества
Pseudomonas гораздо менее восприимчивы к антибиотикам, когда они закреплены в биоплёнке. Они гораздо более уязвимы в свободноплавающей форме. Последующие исследования могут привести к решениям для инфекций Pseudomonas у пациентов с муковисцидозом и других.
"Есть возможность повернуть вспять формирование биоплёнки", — сказал соавтор Кэлвин Ли, постдокторант UCLA. "Даже если биоплёнка уже есть, возможно, удастся заставить бактерии разобрать её самостоятельно".
Исследование также может помочь в решении других проблем, создаваемых бактериальными сообществами. Биоплёнки загрязняют трубы, фильтры и промышленные реакторы. Они также являются первой фазой в обрастании корпусов судов.
"Мы можем спросить: 'Возможно ли сделать поверхность невидимой для бактерий?'" — сказал Вонг. "Если поверхность будет достаточно имитировать пустое пространство с точки зрения восприятия бактерий, возможно, удастся решить эту многомиллиардную проблему биообрастания".
Исследователи изучают более широкий репертуар сахаров, распознаваемых поверхностными белками Pseudomonas, а также то, как поверхности разной формы влияют на перемещение бактерий. Учёные также намерены исследовать связь этих результатов с предыдущими данными, указывающими на то, что клеточная сигнализация сохраняется в поколениях бактерий в биоплёнках.