Как белки предотвращают общение между бактериями
Биоплёнки — идеальная среда для микроорганизмов. Защищённые от внешних воздействий, бактерии в них могут беспрепятственно расти и вызывать заболевания. Учёные Кильского университета совместно с коллегами из Гамбургского технологического университета исследуют, как можно предотвратить образование биоплёнок. Это может стать основой для альтернатив антибиотикам, поскольку многие патогены уже устойчивы к большинству коммерчески используемых препаратов. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Microbiology.
Биоплёнки образуются, когда клетки прикрепляются к поверхностям и организуются в согласованные трёхмерные сообщества, погружённые во внеклеточный матрикс. Проблема возникает, когда они формируются на медицинских устройствах или имплантатах. Патогенные бактерии внутри биоплёнки не поддаются лечению обычными антибиотиками.
«Один из способов предотвратить болезни — остановить образование биоплёнок в самом начале», — говорит профессор Рут Шмитц-Штрайт из Института общей микробиологии Кильского университета.
Для координации и создания сообществ бактерии общаются друг с другом с помощью сигнальных молекул (аутоиндукторов). Если это общение нарушить, биоплёнка не сформируется. Этот процесс клеточной коммуникации, известный как «чувство кворума» (quorum sensing, QS), могут нарушать биомолекулы — белки «гашения кворума» (quorum quenching, QQ).
«Белки могут расщеплять эти сигнальные молекулы или модифицировать их так, что они становятся нефункциональными», — поясняет Шмитц-Штрайт.
Цель исследования, финансируемого Федеральным министерством образования и научных исследований Германии (BMBF), — найти наиболее эффективные QQ-белки.
В отличие от предыдущих работ, профессор Рут Шмитц-Штрайт и доктор Нэнси Вайланд-Бройер сосредоточили поиск на природных средах вне лаборатории.
«Принципы, встречающиеся в природе, развивались и устанавливались в течение долгого времени и поэтому особенно эффективны», — отмечает Шмитц-Штрайт.
Исследователи использовали метагеномный подход: взяли пробы из морской воды, ледников, а также с медуз и из остатков биоплёнки в стиральной машине. Они извлекли полную ДНК из образцов и на её основе идентифицировали белки, способные расщеплять сигнальные молекулы или делать их неэффективными.
Было установлено, что количество QQ-белков, способных предотвращать клеточную коммуникацию, в морских образцах чрезвычайно велико — больше, чем в наземных.
«Как древнейшая экосистема, морская среда — включая океаны, воду или водоросли — невероятно богата новыми, неоткрытыми веществами. Она предлагает огромный потенциал с точки зрения биологической активности и QQ-механизмов», — говорит Шмитц-Штрайт.
Белок QQ-2 оказался особенно эффективным в ходе исследований.
«Этот белок очень устойчив и может предотвращать образование многих различных типов биоплёнок», — объясняет Вайланд-Бройер.
Предыдущие исследования были сосредоточены на нарушении конкретного «языка» бактерий.
«В отличие от них, белок QQ-2 ориентирован на «универсальный язык» и может нарушать коммуникацию разных бактерий. Это делает его «главным нарушителем спокойствия»».
Эта фундаментальная работа даёт важные результаты, которые в будущем могут привести к биотехнологическим и медицинским применениям. Если целенаправленно нарушать коммуникацию патогенных бактерий, это предотвратит образование ими биоплёнок и развитие заболеваний. В свете растущей устойчивости патогенов к антибиотикам мощный эффект природных QQ-механизмов может стать эффективным подходом к разработке лекарств.