Новая технология для изучения «состояний спячки» бактерий

Некоторые бактериальные клетки, подобно впадающим в спячку медведям, способны переходить в «низкоэнергетическое» метаболическое состояние, в котором они могут стабильно выживать без роста. Это состояние часто наблюдается в контексте устойчивых к антибиотикам инфекций, когда бактерии образуют липкую массу — биоплёнку. Низкоэнергетическое состояние позволяет бактериям в ядре биоплёнки противостоять обычным антибиотикам. Изучение бактерий в этом состоянии исторически представляло технические сложности.

Теперь исследователи разработали лабораторную технологию для изучения метаболического состояния ядер биоплёнок в миниатюрной жидкой суспензии с использованием высокопроизводительной системы. Новое устройство использует 96-канальный потенциостат (прибор для измерения разности потенциалов), который измеряет выходную мощность каждой лунки с жидкостью с помощью крошечных электродов.

Работа выполнена в сотрудничестве между Дианой Ньюман из Калтеха (профессор биологии и геобиологии имени Гордона М. Биндера/Amgen, профессор Института Меркина) и Акихиро Окамото из Национального института материаловедения Японии (приглашённый доцент биологии и биоинженерии в Калтехе). Результаты описаны в новой статье в журнале Cell. Первым автором исследования является бывший аспирант Джон Чемниецки (Ph.D. '24); важный вклад также внесли аспиранты Чиа-Лунь Хо из Университета Хоккайдо и Ричард Горак из Калтеха.

Команда использовала устройство для изучения бактерии Pseudomonas aeruginosa (ведущего внутрибольничного патогена, вызывающего широкий спектр острых и хронических инфекций) в её низкоэнергетическом метаболическом состоянии.

Лаборатория Ньюман изучает Pseudomonas на протяжении десятилетий. В частности, группа идентифицировала малые молекулы — феназины, которые бактерии используют для питания метаболизма в отсутствие кислорода. Поскольку в глубине инфекционных биоплёнок часто нет кислорода, феназины являются для Pseudomonas решающим способом выживания и, следовательно, потенциально мощной мишенью для терапевтических препаратов.

Окамото и его лаборатория много лет изучали микробную электрохимию и изначально разработали 96-канальный потенциостат для изучения бактерии Shewanella oneidensis — модельного организма, используемого в энергетических и экологических приложениях. Сотрудничая с лабораторией Ньюман, Окамото осознал потенциальные биомедицинские применения устройства.

«Мы смогли продемонстрировать, что измеряемый ток напрямую отражает скорость метаболизма, — говорит Окамото. — В сочетании с методами Дианы мы обнаружили, что эта скорость была чрезвычайно низкой и поддавалась механистическому анализу».

Благодаря экспериментальным возможностям, открытым 96-канальным потенциостатом, команда Ньюман наконец смогла решить давние вопросы о феназинах и Pseudomonas.

Команда сравнила множество различных условий и различных генетических мутантов Pseudomonas, чтобы определить, работают ли бактерии на минимальном метаболическом пороге, и понять, какие ферменты необходимы для сохранения энергии. Они обнаружили, что гены, кодирующие биоэнергетический аппарат, объединяющий ферментативные и дыхательные пути, были необходимы бактериям для поддержания стабильного низкоэнергетического стазиса; без этих генов бактерии погибали быстрее.

Новая технология может использоваться для изучения множества различных штаммов в широком диапазоне условий.

«Насколько нам известно, до сих пор ни одна экспериментальная система не позволяла проводить прямые высокопроизводительные измерения выходной метаболической мощности, когда клетки метаболически активны, но не растут», — говорит Ньюман.

«Теперь у нас есть возможность делать открытия о том, как работает поддерживающий метаболизм, которые могут быть обобщены для других организмов. Это интересно как на фундаментальном уровне, так и напрямую связано с поиском новых мишеней для лекарств для борьбы с упорными инфекциями».