Как бактерии «чувствуют» поверхности: Флуоресцентный зонд визуализирует и измеряет натяжение мембраны

В естественной среде бактерии редко живут как свободноплавающие клетки, а прикрепляются к поверхностям, образуя биоплёнки на медицинских устройствах, телефонах или человеческих тканях. Поведение бактерий — как они прикрепляются, растут, объединяются или выделяют вещества, скрепляющие биоплёнку, — зависит от их механического взаимодействия с поверхностью.

Понимание взаимодействия бактерий с поверхностями важно для борьбы с образованием биоплёнок, разработки антибактериальных материалов и развития технологий биосенсорики. Однако лежащие в основе биофизические механизмы остаются малоизученными.

Исследователи под руководством доктора Кристины Флорс в IMDEA Nanociencia (Мадрид, Испания) разработали новый подход для визуализации и количественной оценки механического напряжения, испытываемого бактериальными мембранами при контакте с поверхностями. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Используя микроскопию с визуализацией времени жизни флуоресценции (FLIM) и механочувствительный флуоресцентный зонд Flipper-TR, команда смогла измерить тонкие вариации натяжения мембраны у живых бактерий, взаимодействующих с разными материалами.

Зонд Flipper-TR — это коммерчески доступный флуоресцентный репортёр, который специфически связывается с мембраной клеток, и время жизни флуоресценции которого отражает изменения её натяжения. Зонд состоит из двух молекул — дитиенотиофеновых фрагментов, которые становятся плоскими при сжатии внутри бактериальной мембраны и скручиваются при снятии натяжения, что приводит к изменению времени жизни флуоресценции.

Ранее Flipper-TR в основном использовался в клетках млекопитающих, и лишь в нескольких работах применялся для бактерий из-за экспериментальных сложностей.

Теперь команда IMDEA Nanociencia показала, что этот зонд подходит для бактериальных модельных систем. Более того, он достаточно чувствителен, чтобы различать контакт бактерий с поверхностями, обладающими разными адгезивными и топологическими свойствами.

Исследование демонстрирует, что Flipper-TR успешно окрашивает как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии и может чутко различать, как их мембраны реагируют на различные поверхности и наноструктуры. Различия во времени жизни флуоресценции выявляют разные механизмы адгезии и даже обнаруживают растяжение мембраны, когда бактерии помещают на наноструктурированные, механо-бактерицидные субстраты.

Эти открытия прокладывают путь к пониманию того, как механические сигналы влияют на физиологию бактерий, и предлагают принципы проектирования биоинтерактивных материалов, которые либо препятствуют, либо способствуют бактериальной адгезии. Это имеет потенциальное применение в здравоохранении, биотехнологии и материаловедении.