Бактерии используют токи, создаваемые сахаром, и молекулярные коробки передач для движения без жгутиков

Исследования Университета штата Аризона раскрывают удивительные способы движения бактерий без их жгутиков — тонких жгутообразных пропеллеров, которые обычно толкают их вперёд.

В первом исследовании Навиш Вадхва и коллеги показали, что сальмонелла и E. coli могут перемещаться по влажным поверхностям даже при отключённых жгутиках. В процессе метаболизма бактерии ферментируют сахара и создают крошечные направленные наружу токи на влажной поверхности. Эти токи переносят колонию вперёд, подобно листьям, плывущим по тонкому потоку воды.

Исследователи называют эту новую форму движения «свэшингом» (swashing). Это может объяснить, как патогенные микробы успешно колонизируют медицинские устройства, раны или поверхности на пищевых производствах. Понимание того, как метаболизм управляет движением бактерий, может помочь в разработке новых методов ограничения инфекций, например, путём изменения локального pH или доступности сахара.

Свэшинг на сахарном топливе

Когда бактерии питаются сахарами, такими как глюкоза, мальтоза или ксилоза, они выделяют кислые побочные продукты, например ацетат и формиат. Эти побочные продукты вытягивают воду с поверхности, создавая токи, которые выталкивают бактерии наружу. Ферментируемые сахара необходимы для этого процесса — без них микробы не могут так двигаться. Богатые сахаром среды в организме, такие как слизь, могут фактически помогать вредным бактериям распространяться и вызывать инфекцию.

Когда исследователи добавили в колонии детергентоподобные молекулы, известные как поверхностно-активные вещества (ПАВ), бактерии перестали «свэшить». При этом ПАВ не влияли на «сворминг» — скоординированную, приводимую жгутиками форму движения. Это говорит о том, что две формы движения используют различные физические механизмы, и ПАВ можно использовать для избирательного подавления (или усиления) движения бактерий.

Тот факт, что бактерии могут колонизировать поверхности даже при нарушении их обычного плавательного аппарата, имеет важные последствия для здоровья человека. Некоторые микробы могут распространяться посредством «свэшинга» по медицинским катетерам, имплантатам и больничному оборудованию. Блокировки одних лишь жгутиков может быть недостаточно, чтобы их остановить. Вместо этого, возможно, потребуется вмешаться в химические процессы, которые они используют для питания этого движения.

Поскольку «свэшинг» зависит от ферментации и кислых побочных продуктов, стратегии, изменяющие pH поверхности или доступность сахара, могут снизить бактериальную колонизацию. Исследование показало, что простых изменений кислотности было достаточно, чтобы изменить характер движения бактерий.

Смена стратегий

Во втором исследовании Абхишек Шривастава и его коллеги изучили бактерии типа Flavobacteria. В отличие от E. coli, эти бактерии не плавают; вместо этого они перемещаются по поверхностям с помощью машины, называемой системой секреции 9-го типа (T9SS), которая приводит в движение молекулярную конвейерную ленту.

В норме T9SS помогает этим бактериям скользить по поверхностям, перемещая покрытый адгезином «пояс» вокруг клетки, тянущий бактерию вперёд, как микроскопический снегоход. Исследователи обнаружили, что белок конвейерной ленты GldJ действует как переключатель передач, контролируя направление вращения этого роторного мотора.

Если удалить небольшую часть GldJ, мотор меняет вращение с против часовой стрелки на по часовой стрелке, изменяя движение бактерий. Исследование подробно описывает этот молекулярный механизм и показывает, как он позволяет бактериям точно настраивать направление движения, давая им эволюционное преимущество в навигации по сложным средам.

Помимо обеспечения движения, T9SS также имеет большое значение для здоровья человека — играя как вредные, так и полезные роли в зависимости от микробного сообщества. В оральном микробиоме человека бактерии, содержащие T9SS, связаны с заболеваниями дёсен, где их секретируемые белки способствуют воспалению в полости рта и мозге, внося вклад в такие расстройства, как болезни сердца и Альцгеймера. С другой стороны, в микробиоме кишечника белки, секретируемые через T9SS, могут защищать антитела от деградации, тем самым укрепляя иммунитет и повышая эффективность пероральных вакцин.

Понимание того, как работает эта «коробка передач», может помочь учёным разработать способы блокировки образования бактериями слизистых сообществ (биоплёнок), вызывающих инфекции, но также и использовать её полезные свойства для развития целевой терапии микробиома.

На первый взгляд, эти два открытия — «скольжение» на жидкости и молекулярное переключение передач — кажутся далёкими друг от друга. Но их объединяет общая тема: бактерии эволюционировали множественные, удивительные способы распространения. Чем больше у бактерий стратегий, тем сложнее их сдерживать.

Новые данные также подчёркивают необходимость свежего подхода в борьбе с бактериальными заболеваниями. Многие традиционные подходы часто были сосредоточены на воздействии на жгутики. Но, как показывают эти исследования, бактерии могут обходить это ограничение.

Исследования предполагают, что контроль окружающей среды бактерий, включая такие факторы, как уровень сахара, pH и химия поверхности, может быть так же важен, как и воздействие на гены бактерий. А нарушение работы ключевых молекулярных машин, таких как «коробка передач» T9SS, может предотвратить не только движение бактерий, но и секрецию белков, которые делают их опасными.