Сахар на поверхности бактерий служит основой для сети устойчивости

Новое исследование показало, что бактерии, вызывающие хронические инфекции у пациентов с муковисцидозом, используют один из сахаров на поверхности микробов для начала построения структуры, которая помогает им противостоять попыткам уничтожения.

Учёные установили, что бактериальный клеточный поверхностный сахар — полисахарид Psl — закреплён на поверхности бактерии в виде спирали, обеспечивая структуру, которая способствует межклеточному взаимодействию. Когда множество бактериальных клеток соединяются вместе с помощью такой структуры, они образуют так называемую биоплёнку — устойчивое сообщество микробов, способное противостоять как реакции иммунной системы человека, так и действию антибиотиков.

В случае изучаемой бактерии Pseudomonas aeruginosa последствия развития биоплёнки могут быть смертельными. Хроническая инфекция, вызванная этими бактериями, является причиной смерти большинства пациентов с муковисцидозом — генетическим заболеванием, характеризующимся, в частности, избытком слизи в лёгких, что может способствовать образованию биоплёнки. Некоторые тяжелобольные госпитализированные пациенты также восприимчивы к инфекции Pseudomonas, которая может привести к сепсису или бактериемии — частым причинам смерти очень больных пациентов в отделениях интенсивной терапии.

Поскольку Psl чётко идентифицирован как основа матрицы, или «архитектурный клей», удерживающий биоплёнку вместе, учёные надеются, что исследование может привести к разработке методов терапии, нацеленных на этот сахар и предотвращающих развитие этих скоплений бактериальных клеток.

«С клинической точки зрения, если мы сможем найти способы ингибировать или разрушить Psl, мы освободим эти организмы, и их будет гораздо легче убить антибиотиками или защитными силами организма», — сказал Дэниел Возняк, профессор внутренней медицины и микробиологии в Университете штата Огайо и старший автор исследования.

Исследование опубликовано в недавнем выпуске журнала PLoS Pathogens.

Возняк и его коллеги несколько лет назад выделили Psl как вероятную причину создания биоплёнки Pseudomonas, но не были уверены в механизме его работы, пока новая серия экспериментов не позволила им увидеть весь процесс развития матрицы и биоплёнки.

Исследователи первыми отметили, что фактическая форма Psl напоминает спираль, лестничную структуру, которая стабилизирует критическое для формирования биоплёнки межклеточное взаимодействие. Группа Возняка также наблюдала, что свободно плавающая ДНК, имеющая форму двойной спирали, существует внутри биоплёнки Pseudomonas, обеспечивая дополнительную сетевую структурную поддержку массе клеток.

«Внеклеточная ДНК работает как ещё одна матрица. Это длинный полимер, который притягивает все бактерии вместе», — сказал Луян Ма, ведущий автор исследования и научный сотрудник Центра биологии микробных взаимодействий (CMIB) Университета штата Огайо.

Биоплёнка в конечном итоге вырастает в трёхмерную массу грибовидной формы. Затем, в ходе запрограммированной серии событий, биоплёнка инициирует процесс создания новой микроколонии клеток.

«В какой-то момент возникает либо пищевой, либо физиологический сигнал, который говорит: "это больше не выгодно, и нам нужно начать этот процесс заново"», — сказал Возняк.

В рамках этого процесса некоторые бактериальные клетки в биоплёнке убивают себя, чтобы создать полость, из которой могут быть выпущены «семенные» клетки для начала формирования новой массы. Такой запрограммированной гибели клеток, называемой апоптозом, типичной для высших организмов, редко наблюдали у бактерий, сказал Возняк.

Исследователи полагают, что эта гибель клеток разрушает матрицу, удерживающую существующую биоплёнку, высвобождая Psl и множество питательных веществ и ферментов, которые поддерживают новые «плавающие» клетки. Эти клетки покидают биоплёнку, чтобы занять новую поверхность и начать процесс развития матрицы и биоплёнки заново. Считается, что гибель клеток также является источником внеклеточной ДНК, которая помогает поддерживать структуру биоплёнки во время этого высвобождения «семенных» клеток.

Возняк и его коллеги ввели в процесс ряд мутантных генов и ферментов, чтобы либо блокировать, либо генерировать дополнительный Psl, и проверить его роль в формировании матрицы. Все признаки указывают на то, что Psl является ключевым каркасным компонентом матрицы биоплёнки Pseudomonas.

Возняк отметил, что пока рано говорить о том, будут ли стратегии блокирования Psl в этих лабораторных экспериментах безопасным способом нарушить действие полисахарида в организме человека.

Поверхности, к которым могут прикрепляться бактериальные биоплёнки, являются ключом к их успеху. Это означает, что помимо процветания в забитых лёгких, они также растут на катетерах, аппаратах ИВЛ и трахеальных трубках — на любом медицинском устройстве, проникающем в организм. Однако предотвращение развития бактериальных биоплёнок имеет значение не только для медицины.

Биоплёнки, укреплённые влажной средой, обильными питательными веществами и лёгким доступом к ротовой полости человека, также ответственны за кариес. Эти микроколонии, когда они контактируют с водой или почвой, также прикрепляются к определённым промышленным поверхностям, вызывая коррозию и другие повреждения.

«Не все бактерии используют биоплёнки, но многие используют. Биоплёнки были признаны уже некоторое время, но только в последнее десятилетие люди смогли применить современные молекулярные методы для решения этой проблемы», — сказал Возняк.

Источник: Университет штата Огайо