Учёные впервые увидели, как бактерии строят слизистую крепость — биоплёнку
Исследователи из Принстона впервые раскрыли механику того, как бактерии клетка за клеткой строят слизистые массы, называемые биоплёнками. Находясь внутри биоплёнок в организме человека, бактерии становятся в тысячу раз менее восприимчивыми к антибиотикам, что делает такие инфекции, как пневмония, трудноизлечимыми и потенциально смертельными.
В исследовании, опубликованном 6 сентября в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда проследила за отдельной бактериальной клеткой, которая выросла в зрелую биоплёнку из 10 000 клеток с упорядоченной архитектурой.
"Никто никогда не заглядывал внутрь живой биоплёнки и не наблюдал за её развитием клетка за клеткой", — сказала Бонни Басслер, старший автор статьи. "С этой работой мы впервые можем понять, как сообщества бактерий формируют биоплёнку".
Открытие стало возможным благодаря специальному методу микроскопии, разработанному в Принстоне бывшим постдоком Кнутом Дрешером, который позволил визуализировать отдельные клетки и наблюдать за развивающейся биоплёнкой в реальном времени.
"Мы использовали передовую технику, чтобы заглянуть в сердцевину живой, растущей биоплёнки", — сказал постдок Цзин Ян, ведущий автор исследования.
В качестве модельного организма была выбрана Vibrio cholerae из-за её долгой истории изучения и угрозы для здоровья человека (холера). Исследователи генетически модифицировали бактериальный штамм, чтобы клетки производили ярко светящиеся белки при освещении определённым цветом. Затем команда использовала конфокальный микроскоп, создавая трёхмерное изображение всего образца.
Учёные увидели, что сначала бактериальная колония расширялась горизонтально. По мере деления клеток дочерние клетки прикреплялись к поверхности рядом с родительскими. Однако, сжатые увеличивающимся числом потомков, клетки в центре колонии вынуждены были оторваться от поверхности и выстроиться вертикально. Таким образом, колония превратилась из плоской двухмерной массы в расширяющуюся трёхмерную структуру, скреплённую слизью.
Исследователи также изучили генетику этого клеточного поведения. Один ген, названный RbmA, оказался ключевым для формирования трёхмерной биоплёнки. Когда ген деактивировали, образовывалась большая, рыхлая и непрочная биоплёнка. При нормальной работе RbmA формировалась более плотная и прочная структура. Таким образом, RbmA обеспечивает устойчивость биоплёнки, что указывает на потенциальную "ахиллесову пяту" для терапевтического воздействия.
Текущая работа направлена на измерение физических сил, испытываемых клетками в центре биоплёнки, и создание математической модели роста.
Исследователи также планируют применить свою новую технику микроскопии для изучения других бактерий, формирующих биоплёнки и вызывающих болезни человека, например:
- Pseudomonas aeruginosa (основная причина смертельных лёгочных инфекций при муковисцидозе)
- Staphylococcus aureus (стафилококк)
Техника Ян и его коллег может помочь медицинским исследователям изучить эффективность лекарств против генетически различных членов одной биоплёнки и биоплёнок разной архитектуры. Будущая работа может предложить способы лучше разрушать защитную плёнку, чтобы антибиотики могли полностью проникнуть и уничтожить болезнетворные микробы.
Поддержку проекту частично предоставили Национальный научный фонд (NSF), Медицинский институт Говарда Хьюза (HHMI) и Национальные институты здоровья (NIH).
"Эта работа открывает для нас мир, который раньше был недоступен: внутреннюю часть биоплёнок", — сказала Басслер.