Учёные выяснили, как бактерии выживают в средах с низким содержанием кислорода

Биологи из Колумбийского университета раскрыли механизм, с помощью которого бактериальные клетки в переполненных, лишённых кислорода средах получают доступ к кислороду для производства энергии, обеспечивая своё выживание. Это открытие может объяснить, как некоторые бактерии, такие как Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), способны процветать в бедных кислородом средах, например, в биоплёнках, и противостоять антибиотикам.

"Биоплёночные инфекции, вызываемые P. aeruginosa, являются ведущей причиной смерти людей, страдающих муковисцидозом", — заявил главный исследователь Ларс Дитрих. Понимание путей, способствующих выживанию и вирулентности P. aeruginosa и других бактерий, способных существовать в средах, обеднённых кислородом, может помочь в разработке подходов к лечению.

Большинство бактерий растут в сообществах, образуя биоплёнку со свойствами, подобными ткани, что делает её до 1000 раз более устойчивой к большинству антибиотиков. В переполненных биоплёнках клеткам приходится конкурировать за ограниченные питательные вещества и кислород для выживания.

P. aeruginosa выработала различные стратегии для выживания в условиях низкого содержания кислорода в биоплёнках:

• Изменение структуры биоплёнки для увеличения доступа к кислороду.
• Производство молекул феназинов, которые помогают переносить электроны к кислороду на расстоянии.
• Создание альтернативных версий терминальных оксидаз — ферментов, которые более эффективно используют или улавливают кислород при его низкой концентрации.

Исследователи под руководством Дитриха и первого автора Джинён Джо выяснили, что цепь переноса электронов, критически важная для преобразования электронов в энергию, функционирует глубоко в обеднённой кислородом биоплёнке. В этих условиях бактерия зависит от специфического компонента терминальной оксидазы этой цепи — белка CcoN4 — для доступа к кислороду и нормального роста.

Клетки, лишённые этого белка, выживают хуже, чем клетки с ним, что указывает на вклад CcoN4 в вирулентность бактерии. Также было обнаружено, что CcoN4 играет роль в оптимальном использовании феназинов внутри биоплёнок. Хотя ранее было показано, что феназины компенсируют метаболически условия низкого содержания кислорода, механизм этого оставался загадкой.

"Похоже, они [феназины] происходят из цепи переноса электронов. Это важное открытие", — отметил Дитрих.

Понимание этих путей может иметь большое значение для лечения биоплёночных инфекций, вызываемых P. aeruginosa. Разработка терапий, блокирующих терминальные оксидазы, содержащие CcoN4, может ослабить бактерию и её способность вызывать инфекцию.