Бактериофаги используют «субдиффузионное движение» для охоты в слизи

Новое исследование ученых из Университета штата Калифорния в Сан-Диего (SDSU) показывает, что бактериофаги — вирусы, поражающие бактерии, — используют особую стратегию движения в слизистых оболочках, чтобы повысить свои шансы найти добычу. Эта стратегия называется «субдиффузионное движение».

Модель BAM и эксперимент на биочипе

Ранее ученые SDSU разработали модель Bacteriophage Adherence to Mucus (BAM), объясняющую, как фаги прикрепляются к белкам слизи, формируя симбиоз с организмом-хозяином. Считалось, что фаги движутся в слизи совершенно случайно, за счет нормальной диффузии (броуновского движения).

Чтобы проверить гипотезу о более эффективной стратегии, команда под руководством микробиолога Джереми Барра создала биочип, имитирующий слизистую поверхность клеток эпителия человеческого легкого. На этот чип, где внешние слои слизи постоянно обновляются, поместили:

1. Бактерии E. coli.
2. Обычный слизеадгезивный фаг T4 («липкий» фаг).
3. Его генетически модифицированную версию, не способную прилипать к слизи («нелипкий» фаг).
4. Контрольный эксперимент только с бактериями.

Результат был поразительным: обычный «липкий» фаг обеспечил снижение количества бактерий более чем в 4000 раз по сравнению с контролем. Генетически модифицированный фаг не показал значимого эффекта.

Механизм «субдиффузионного движения»

Последующие эксперименты по подсчету фагов показали, что слизь выводила «липкие» и «нелипкие» фаги с одинаковой скоростью. Значит, дело не просто в удержании.

Наблюдения под мощными микроскопами выявили разницу в характере движения:

• «Нелипкие» фаги двигались случайно (нормальная диффузия).
• «Липкие» фаги двигались субдиффузионно: они ненадолго задерживались в одном месте, затем перемещались в следующую точку и снова задерживались. Это стало возможным благодаря их слабому связыванию с компонентами слизи при дрейфе.

Почему такая стратегия эффективна?

Объяснение эффективности субдиффузионного движения зависит от обилия и разнообразия бактерий:

• При высокой концентрации бактерий-хозяев случайного движения достаточно — фаг почти наверняка наткнется на цель.
• Когда бактерии редки или в среде присутствует много разных видов бактерий, субдиффузионное движение становится статистически выгоднее. Задерживаясь в одной области дольше, фаг тщательнее «прочесывает» ее в поисках своего специфического хозяина.

«Когда бактериальное разнообразие высоко, фагу трудно найти своего конкретного хозяина. В таких условиях выгоднее двигаться субдиффузионно — дольше оставаться на одном месте и медленнее искать добычу», — пояснил Джереми Барр.

Значение для науки и медицины

Это первый известный случай, когда организм использует субдиффузию в качестве стратегии охоты. Открытие имеет значение для развивающейся области фаговой терапии — использования бактериофагов для борьбы с бактериальными инфекциями.

«Существует огромный потенциал для того, как можно модифицировать и оптимизировать эту систему», — отметил Барр.

В будущем, генетически модифицируя фаги для управления их стратегией движения, можно будет повысить эффективность лечения, максимизировав встречу фагов с патогенными бактериями.