Бактерии научились «ходить» по поверхности

Бактериальные биоплёнки — структурированные сообщества бактерий на поверхностях — крайне устойчивы к внешним воздействиям и вызывают многие лекарственно-устойчивые инфекции. Например, пациенты с муковисцидозом часто погибают от инфекций дыхательных путей, вызванных биоплёнками, которые не поддаются даже самым мощным антибиотикам.

Исследователи из UCLA и их коллеги обнаружили, что на начальных стадиях формирования биоплёнки бактерии могут вставать вертикально и «ходить» по поверхности как часть адаптации к ней.

«Бактерии существуют в двух физиологических состояниях: свободно плавающем одноклеточном планктонном и прикреплённом к поверхности в виде биоплёнки — плотного структурированного сообщества клеток, управляемого собственной социологией», — пояснил Жерар Вонг, профессор биоинженерии.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, описан новый механизм адаптации — «ходячая» подвижность, наблюдаемая у Pseudomonas aeruginosa, патогена, формирующего биоплёнки и частично ответственного за летальные инфекции при муковисцидозе.

За вертикальное «хождение» ответственны отростки, называемые пилями IV типа, которые функционируют как аналог ног. Такое движение позволяет P. aeruginosa исследовать поверхность более эффективно. Вертикальная ориентация также является первым шагом к откреплению бактерии от поверхности.

«Мы показали, что вертикальная ориентация играет критическую роль в ключевых событиях жизненного цикла: вертикально ориентированные бактерии могут легче открепляться от поверхностей, что позволяет им эффективно распространяться», — сказала Жасинта Конрад, бывший постдок в группе Вонга.

Исследовательская группа разработала поисковые системы и компьютерные программы, использующие алгоритмы отслеживания частиц для количественного анализа видеозаписей движения бактерий на поверхностях, полученных с помощью микроскопии с интервальной съёмкой.

«Наш вычислительный подход позволяет увеличить объём анализируемых данных в 100 000 раз и выполнить необходимый анализ за несколько часов вместо нескольких месяцев», — отметил Вонг.

Работа проводилась в сотрудничестве с исследовательской группой Университета Нотр-Дам под руководством Джошуа Шраута.

«Инфекции P. aeruginosa, к сожалению, являются основной причиной смерти людей с муковисцидозом. Понимая, как P. aeruginosa колонизирует поверхности, мы, возможно, сможем разработать лучшие методы лечения этих инфекций», — сказал Шраут.

Контроль над образованием биоплёнок также может помочь в решении промышленных проблем, таких как биообрастание корпусов судов (увеличивающее расход топлива) и повышение затрат в процессах водоочистки, добычи нефти и пищевой промышленности.