Как бактерии справляются со стрессом? Исследование показывает, как комбинированные стрессоры подавляют патогенные бактерии

Человеческое тело — это стрессовая среда для жизни бактерий. Помимо иммунной системы, они должны противостоять множеству химических и физических стрессоров. Один из основных физических стрессоров — течение жидкости, которое постоянно циркулирует в кровотоке, мочевыводящих путях и легких. Исследования традиционно игнорировали влияние течения на бактерии, поскольку его сложно моделировать в лабораторных условиях.

Новое исследование из лаборатории Джо Санфилиппо, доцента биохимии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, изучает, как физическое течение и химические стрессоры объединяются для подавления патогенных бактерий. Их выводы, опубликованные в Current Biology, проливают свет на динамику бактериальных инфекций.

Для биологов изучение течения сложно, потому что обычные инструменты исследований — такие как пробирки и чашки Петри — не способствуют созданию реалистичных условий течения.

Однако лаборатория Санфилиппо использует междисциплинарный подход, сочетая биологию, химию, физику и инженерию, чтобы исследовать, как физические стрессоры влияют на бактериальные клетки. Создавая микрофлюидные устройства — крошечные платформы, предназначенные для воссоздания течения на клеточном уровне — исследователи имитируют движение жидкости в человеческом теле. Подключая эти устройства к шприцу и насосу, они генерируют реалистичные условия течения, чтобы изучать реакцию бактерий на стресс.

Предыдущие исследования лаборатории Санфилиппо выявили химическое соединение, которое влияет на реакцию бактерий через взаимодействие с течением жидкости. После идентификации этого соединения как перекиси водорода (H₂O₂), члены лаборатории начали изучать ее влияние на физиологию бактерий. В текущей работе они обнаружили, что сочетание течения и перекиси водорода действует синергетически, блокируя миграцию и рост человеческого патогена Pseudomonas aeruginosa.

Перекись водорода естественным образом присутствует в человеческом теле в очень малых количествах — примерно в 100 000 раз менее концентрированных, чем в знакомом коричневом флаконе из аптеки. Санфилиппо и его коллеги обнаружили, что в условиях течения количество перекиси, необходимое для подавления роста бактерий, почти точно соответствует количеству, обнаруживаемому в человеческом теле.

«Самая удивительная часть нашей работы — это открытие, что предыдущие исследования, не учитывавшие течение, сильно завышали количество перекиси водорода, необходимое для подавления бактерий», — сказала Ану Шарма, аспирант и первый автор статьи. — «Мы выяснили, что в условиях течения, релевантных для организма-хозяина, течение увеличивает эффективность перекиси водорода в 50 раз, позволяя естественным уровням перекиси блокировать миграцию и рост бактерий».

Исследователей также интересовал результат различных комбинаций стрессоров.

«Когда вы комбинируете стрессоры, вы можете получить непредсказуемые результаты», — сказал Санфилиппо. — «Например, в зависимости от эффектов взаимодействия, стрессоры могут проявлять аддитивные свойства (2+2=4), отрицательный синергизм (2+2=3) или положительный синергизм (2+2=5). В нашей работе мы обнаружили ситуацию с явным положительным синергизмом, поскольку течение и перекись водорода в сочетании породили реакцию, которая была намного сильнее, чем сумма их индивидуальных эффектов».

Эти результаты ставят новый вопрос: как другие комбинации стрессоров влияют на бактерии? Используя микрофлюидные системы, моделирующие условия в организме-хозяине, лаборатория Санфилиппо планирует продолжить исследование того, как вредные бактерии преодолевают стресс человеческого тела.