Возвращение классической техники для нового взгляда на защиту бактериальных биоплёнок

Исследователи из Caltech возродили классическую технику визуализации для наблюдения за формированием и ростом отдельных клеток, составляющих биоплёнки — липкие скопления миллионов клеток, часто ответственные за устойчивые к антибиотикам инфекции. Этот метод поможет ответить на давние вопросы о поведении биоплёнок, предлагая идеи, которые потенциально могут помочь в борьбе с ними при хронических инфекциях.

Исследование проводилось в лаборатории Дианн Ньюман под руководством постдока Джорджии Сквайрс и опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Биоплёнки обладают свойствами, которых нет у отдельных клеток, включая групповое поведение, защищающее их от антибиотиков, например, защитный матрикс. Чтобы понять, как клетки в биоплёнке совместно строят эту защиту, необходимо визуализировать и отслеживать поведение всех клеток одновременно.

Обычная биологическая визуализация с помощью флуоресцентных белков требует кислорода, которого часто нет в глубине биоплёнок. В новом исследовании Сквайрс возродила флуоресцентную технику, окрашивая не клетки, а среду, в которой они растут, с помощью дешёвого нетоксичного красителя. Клетки становились тёмными на ярком фоне. Этот метод работает даже в бескислородном ядре биоплёнки и позволяет дольше наблюдать за ней с высоким разрешением. Комбинируя этот метод с алгоритмом для отслеживания поведения отдельных клеток, Сквайрс смогла наблюдать за ростом биоплёнки и динамикой клеток в течение многих дней.

Метод был опробован на Pseudomonas aeruginosa, но применим к любому виду бактерий, образующих биоплёнки.

С помощью новой техники Сквайрс ответила на открытый вопрос о развитии биоплёнки. Отдельные клетки окружены вязким веществом — внеклеточным матриксом, который содержит ДНК (внеклеточная ДНК, eDNA). Эта eDNA высвобождается в матрикс, когда клетки умирают и разрываются в процессе лизиса. Она является основным компонентом биоплёнки, скрепляет клетки, обеспечивает структурную стабильность и удерживает метаболиты, необходимые для развития. Некоторые антибиотики также задерживаются в eDNA, что не позволяет им достичь клеточных мишеней.

Чтобы понять, как выбираются эти «жертвенные» клетки, Сквайрс визуализировала, какие клетки подвергаются лизису, и обнаружила, что лизируется примерно 1 из каждых 10 000 клеток в час. Эти клетки расположены в специфических позициях внутри биоплёнки, которые определяются градиентами питательных веществ, таких как углерод и кислород. Картирование этих событий лизиса позволило понять, как матрикс eDNA приобретает свою форму.

«Устойчивость к антибиотикам в биоплёнках координируется отдельными клетками, и я надеюсь, что эта работа даёт новую основу для изучения их поведения», — говорит Сквайрс.