Обнаружены бактерии, способные сбрасывать клетки в качестве механизма выживания

Фото из открытых источников

Группы бактерий, известные как биопленки, процветают на поверхностях повсюду вокруг нас. Эти микроскопические скопления в изобилии встречаются в водных средах, от гладкой поверхности озерных камней до слизистых отложений в водопроводных трубах. Биопленки также обитают на отдельных частях нашего тела, включая кожу и поверхность зубов.

Ученые из лаборатории профессора Гюрола Сюэля в Школе биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые задокументировали феномен выброса биопленки при изучении бактерии, известной как сенная палочка (Bacillus subtilis). Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Microbiology.

Ранее считалось, что биопленки, которым грозила гибель, просто растворялись и исчезали. К удивлению исследователей, они изучили аналогичные механизмы выброса биопленок у животных и обнаружили, что единственными другими организмами, обладающими подобными механизмами, являются медузы.

«Мы обнаружили, что в конце своего жизненного цикла эти бактериальные биопленки с силой выталкивают определенные клетки из сообщества», — сказал Сюэль.

Исследователи под руководством Тодда Кванг-Тао Чоу и Алехандры Дау-Мартинес использовали высокоточные приборы, позволяющие получать изображения биопленки с разрешением на уровне отдельных клеток. Это позволило им провести беспрецедентные исследования внеклеточного матрикса (ВКМ) — сети молекул, которые соединяют и поддерживают клетки.

Математическое моделирование, проведенное совместно с коллегами из Университета Помпеу Фабра (Испания), позволило исследователям деконструировать физику процесса выброса, которая ранее оставалась скрытой.

Затем исследователи из лаборатории Сюэля определили, что механические силы, лежащие в основе выброса, представляют собой самогенерирующуюся сеть полимеров, известную как гидрогели. В частности, в результате производства полимера, состоящего из поли-γ-глутаминовой кислоты (γ-PGA), образуется гидрогель, способный поглощать воду в тысячу раз больше своего веса. Набухание γ-PGA затем выталкивает внутренние клетки через внешние слои, чтобы они освободились от биопленки.

Исследователи утверждают, что способность к выбросу позволяет биопленке, столкнувшейся с нехваткой питательных веществ или другими угрозами, обеспечить выживание сообщества, высвобождая подвижные клетки, которые потенциально могут уплыть и колонизировать новое место.

«Биопленка знает, что ей суждено погибнуть, поэтому она выбрасывает часть своих клеток, чтобы они могли выжить и продолжить борьбу», — сказал Сюэль.

После детального изучения процесса выброса исследователи подтвердили свои выводы, контролируя и манипулируя этой функцией с помощью генетики и химических реакций. Важно отметить, что команда показала, что они могут заставить биопленку разорваться, производя избыточное количество γ-PGA.

Поскольку бактериальные биопленки обладают высокой устойчивостью к антибиотикам и представляют собой растущую угрозу для общественного здравоохранения, принудительное разрушение биопленок имеет потенциал для будущего применения в качестве нового метода уничтожения вредных бактериальных сообществ без использования лекарственных препаратов.

«Мы показали, что биопленки можно заставить разрушиться без необходимости применения антибиотиков или токсичных химикатов, просто за счет избыточного производства γ-PGA», — утверждают исследователи. Результаты также могут быть полезны для концептуального понимания распространения рака, поскольку опухоли имеют общие черты с бактериальными биопленками, включая метастазирование, при котором опухоли высвобождают раковые клетки.