Управление "общением" бактерий открывает практические возможности

Манипулируя тем, как бактерии "общаются" друг с другом, исследователи из Техасского университета A&M достигли беспрецедентной степени контроля над формированием и распадом биоплёнок. Это открытие имеет значительный потенциал для здравоохранения и промышленности, особенно для технологии биореакторов.

Работая с бактериями E. coli, профессор Томас К. Вуд и доцент Арул Джаяраман использовали специфические сигналы, которыми обмениваются бактерии, чтобы вызвать распад биоплёнки. Их результаты опубликованы 3 января в Nature Communications.

Это важное открытие, поскольку биоплёнки notoriously difficult to break apart. Это сообщество бактерий, живущих вместе в защитной клейкой слизи, которая демонстрирует повышенную устойчивость к внешним угрозам, таким как антибиотики. Плёнка может расти на различных поверхностях, включая зубы (как зубной налёт) и биомедицинские имплантаты.

Хотя биоплёнка может представлять серьёзный риск для здоровья, её использование в промышленных биореакторах открывает перспективы для производства альтернативного топлива и химикатов, таких как пропанол и бутанол. Устойчивая природа биоплёнки делает её идеальной для таких реакторов.

"Реактор будущего — это биоплёнчатый реактор", — говорит Вуд. Основная причина в его устойчивости: если pH level drops, биоплёнка останется стабильной, в отличие от независимо растущих клеток.

Но для реализации этой технологии необходимо контролировать множество переменных, связанных с плёнкой: её количество в реакторе, время пребывания и пропорции сосуществующих разных биоплёнок.

"Никогда прежде группа не открывала белки, заставляющие биоплёнки распадаться, и не использовала их в синтетической схеме", — отмечает Вуд. Исследователи воспользовались тем, что клетки общаются друг с другом.

Команда генетически встроила в E. coli чужой химический сигнал от другой бактерии — Pseudomonas aeruginosa — заставив одну группу E. coli непрерывно излучать этот сигнал. Затем эту группу внедрили в среду с существующей биоплёнкой, которая также была генетически модифицирована для приёма сигнала. Получив сигнал, бактерии в биоплёнке ответили распадом и покинули среду.

"Мы разработали новые миниатюрные модели биоплёнчатых реакторов, где можем exquisitely контролировать, какой вид бактерий колонизирует, как долго и каким сигналам подвергается во время роста", — пояснил Джаяраман. Это позволяет оптимизировать биопроцессы.

Такой беспрецедентный контроль — ключ к развитию технологии биореакторов, так как позволяет учёным работать с бактериями, выращивая их с большей плотностью и в определённых пропорциях. Контролируя формирование и распад биоплёнок, можно переключать производство биореактора с одного химического вещества на другое с минимальным простоем, создавая непрерывный производственный процесс.

"В следующем приложении мы хотим поддерживать консорциум — смесь разных бактерий — где одна группа делает первую часть важного химического вещества, а другая — вторую", — говорит Вуд. "Мы хотим создавать сложные группировки бактерий для производства сложных химикатов. Этого можно достичь с помощью нашего открытия".

Эти технологии также применимы к открытию и доставке лекарств, так как могут имитировать среду человеческого тела. Используя эту модель, исследователи могут лучше оценить влияние микробного консорциума на судьбу и выведение лекарственной молекулы.