Nature: бактерии запускают «капсулы спасения» в качестве механизма выживания

Фото из открытых источников

Бактерии, живущие внутри слизистых биопленок, выработали удивительный способ выживания. Когда колония чувствует, что вот-вот погибнет, она выбрасывает часть своих собственных клеток, чтобы они могли вырваться наружу и основать новые колонии в другом месте.

Новое исследование показывает, что бактерии, живущие в этих микроскопических сообществах, запускают клетки, подобно спасательным капсулам, а не просто распадаются, опровергая существовавшее столетие представление о том, как распространяются биопленки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Microbiology.

Это открытие также может указывать на новый способ лечения хронических бактериальных инфекций. Применив тот же механизм, основанный на создании давления, против бактерий, исследователи смогли вызвать разрыв целых биопленок изнутри, не прибегая к антибиотикам.

Биопленки — одни из самых распространенных форм жизни на Земле. Они покрывают камни в ручьях, образуют зубной налет и создают слизь внутри водопроводных труб. Везде, где скапливаются бактерии, они часто окружают себя защитным покрытием, которое производят сами.

Более века ученые считали, что подверженные стрессу биопленки рассеиваются путем медленного растворения. Ферменты расщепляют липкий материал, удерживающий колонию вместе, позволяя клеткам отступать, в то время как вся структура постепенно распадается.

Новое исследование выявило совершенно иной процесс. Работая с почвенной бактерией Bacillus subtilis, исследователи выращивали биопленки, содержащие более миллиона клеток, внутри крошечных жидкостных камер и регистрировали их в течение нескольких дней.

Вместо того чтобы растворяться, биопленки выталкивали клетки через единственное отверстие. Клетки вытекали из глубины колонии узким направленным потоком, в то время как остальная часть биопленки оставалась неповрежденной.

Работа была выполнена в лаборатории Гюрола М. Сюэля, профессора молекулярной биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD). Эксперименты проводили аспиранты Тодд Кванг-Тао Чоу и Алехандра Дау-Мартинес. Математическое моделирование было выполнено сотрудниками Университета Помпеу Фабра ( UPF) в Барселоне, Испания.

«Биопленка чувствует, что ей угрожает опасность, поэтому она выбрасывает клетки из сообщества, словно спасательная капсула», — сказал Сюэль.

Эти клетки выталкивало наружу не плавание. Распространяющиеся клетки были подвижным типом биопленки, теми, которые приспособлены к плаванию, но даже когда исследователи удалили ген, отвечающий за их хвостообразные выросты, клетки все равно вылетали из колонии. Что-то другое выталкивало их наружу.

Сила воздействия исходила от геля, вырабатываемого бактериями, который называется полигамма-глутаминовой кислотой. Эта нитевидная молекула образует гидрогель — водопоглощающую сетку, способную впитать примерно в 1000 раз больше воды, чем весит сама. По мере набухания гель создает давление внутри колонии, выталкивая клетки изнутри через плотно упакованные внешние слои, пока они не вырвутся на свободу.

Исследователи подтвердили роль геля, удалив его. Когда они удалили гены, необходимые для производства полигамма-глутаминовой кислоты, биопленки росли нормально, но так и не выбросили ни одной клетки. То же самое произошло, когда добавили сахарный спирт, который конкурировал с водой и препятствовал набуханию геля.

Такое поведение, по-видимому, является стратегией выживания. Запуская небольшое количество подвижных клеток для колонизации новой территории, в то время как остальная часть колонии остается на месте, биопленка увеличивает свои шансы на выживание в неблагоприятных условиях.

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

Использование набухающего геля для выброса чего-либо наружу — почти неслыханное явление в природе. Когда исследователи искали что-либо подобное в животном мире, они нашли только одно совпадение: медуз и их близких родственников.

Медузы и гидры, крошечные пресноводные родственники, жалят свою добычу. Они выпускают микроскопические капсулы, называемые нематоцистами, каждая из которых содержит плотно свернутую нить. Подобно бактериям, в капсулах используется набухающий гель, который поглощает воду до тех пор, пока накопившееся давление не вытолкнет нить наружу.

Недавнее исследование этих жалящих капсул показало, что их взрывное срабатывание связано именно с накоплением давления воды. Бактерии и медузы находятся на совершенно разных ветвях жизни, но обе они пришли к одной и той же молекуле, которая заставляет клетки или нити выходить под давлением.

Для проверки геля исследователи позаимствовали деталь из поведения медуз. В капсулах этих животных гель остается плотно упакованным в кислой среде и распадается, когда окружающая среда становится нейтральной, поскольку его составляющие элементы приобретают заряд и отталкивают друг друга.

Чередование кислой и нейтральной среды для культивирования бактерий приводило к синхронному сокращению и набуханию их биопленок. Гель вел себя именно так, как и предсказывали его химические свойства: он сжимался в кислоте и размягчался после исчезновения кислоты.

Установив, что именно гель является движущей силой, вызывающей выброс клеток, исследователи проверили, может ли он разрушить целую биопленку. Математическая модель предсказала, что увеличение выработки геля приведет к разрыву колонии.

Когда бактерии были модифицированы таким образом, чтобы производить почти в четыре раза больше полигамма-глутаминовой кислоты, чем обычно, биопленки неоднократно распадались на небольшие комки, которые смывались, в то время как нормальные колонии оставались неповрежденными.

Разорванные биопленки оставались полными пустот, что значительно облегчало проникновение лекарств в них. Это важно, потому что биопленки защищают бактерии от антибиотиков, позволяя им выживать в хронических ранах, инфицированных имплантатах и поврежденных легких.

Принудительное разрушение биопленки изнутри может стать новым способом преодоления этих защитных структур. Вместо антибиотиков или агрессивных химикатов, этот подход физически разрушает колонию, оставляя оставшиеся бактерии доступными для обработки, которая ранее была для них недоступна.

Это открытие может иметь и более широкие последствия. Опухоли имеют ряд общих черт с биопленками, а часть гелеобразного материала, окружающего раковые клетки, ведет себя аналогично бактериальному гидрогелю.

Результаты исследования также показали, что бактерии могут активно выталкивать клетки из биопленок, используя вырабатываемый ими самими гель — механический механизм выхода, ранее наблюдавшийся только у медуз.

Контролируя выработку этого геля, исследователи в конечном итоге смогут определить, остается ли биопленка целой или разрушается, что откроет двери для новых методов лечения стойких бактериальных инфекций.