Исследования холеры раскрывают механизмы образования биоплёнок и гиперинфективности

Свободноплавающие холерные бактерии гораздо менее заразны, чем бактерии в биоплёнках — скоплениях бактериальных клеток, погружённых в липкую матрицу, которые образуются на поверхностях. Это объясняет удивительную эффективность фильтрации воды через ткань (например, сложенное сари), которая может резко снизить заболеваемость в эндемичных регионах, несмотря на то, что отдельные бактерии холеры легко проходят через такой фильтр.

Новое исследование под руководством учёных из UC Santa Cruz значительно продвигает понимание гиперинфективности холерных биоплёнок. Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), — одна из нескольких новых работ по биоплёнкам холеры из лаборатории микробиолога UCSC Фитнат Йылдыз.

Биоплёнки заранее активируют факторы вирулентности

Удивительное открытие в статье PNAS заключается в том, что бактерии, растущие в биоплёнках, уже активировали гены факторов вирулентности (например, продукцию токсина) ещё до заражения хозяина.

"Два основных фактора вирулентности — это токсин-корегулируемый пилус, позволяющий бактериям прикрепляться к кишечнику, и холерный токсин, который проникает в клетки кишечника и вызывает болезнь. Эти факторы вирулентности экспрессируются сильнее в клетках биоплёнки, то есть они уже подготовлены к заражению", — пояснила Дженнифер Тешлер, постдок в лаборатории Йылдыз и соавтор статьи.

Исследование также показало различия в характере колонизации свободноплавающих ("планктонных") и выращенных в биоплёнке холерных клеток в кишечнике инфицированных мышей. С помощью новой техники визуализации, делающей ткань кишечника прозрачной, учёные обнаружили, что:

• Планктонные клетки прикреплялись у основания кишечных ворсинок.
• Клетки из биоплёнки прикреплялись на вершинах ворсинок, ближе к просвету кишечника.

Предполагается, что клетки биоплёнки сильнее прикрепляются к ворсинкам и лучше сопротивляются смыванию потоком в просвете кишечника.

Механизмы инициации образования биоплёнки

Две другие статьи, опубликованные в Nature Communications и PLOS Genetics, посвящены тому, как свободноплавающие холерные бактерии прикрепляются к поверхностям и инициируют образование биоплёнки.

1. Роль пилусов и сигнальной молекулы c-di-GMP (Nature Communications)

Исследование показывает, что прикрепление — начальный этап образования биоплёнки. Пили (волосоподобные выросты на поверхности клетки) связываются с поверхностью, а их втягивание подтягивает клетку ближе. Затем клетка производит больше пилусов, чтобы закрепиться.

• Пили типа IV MSHA, необходимые для образования биоплёнки у многих штаммов Vibrio cholerae, регулируются сигнальной молекулой c-di-GMP.
• Исследование показало, что MSHA-пилус — динамическая система, которая выдвигается и втягивается, и её активность напрямую контролируется c-di-GMP.

2. Связь с жгутиком и сигнальные пути (PLOS Genetics)

Исследование дополнительно проясняет сигнальные пути c-di-GMP, способствующие образованию биоплёнки. В частности, изучена роль жгутика (используемого для плавания) в передаче сигнала c-di-GMP.

• Утрата жгутика приводит к повышению уровня c-di-GMP в клетке и увеличению экспрессии генов биоплёнки.
• Существуют разные этапы, на которых эта сигнальная молекула может контролировать переход к образованию биоплёнки.

Значение исследований

Понимание механизмов образования биоплёнок, а также их роли в биологии Vibrio cholerae, открывает путь к разработке стратегий для прогнозирования и контроля эпидемий холеры, а также может помочь в поиске новых мишеней для лекарств, подавляющих образование биоплёнок при инфекции.