Электрические свойства бактерий: как мембранный потенциал влияет на устойчивость к антибиотикам

Электрический потенциал на клеточной оболочке бактерий указывает на момент, когда они перестают действовать как отдельные клетки и начинают вести себя как коллектив. Исследователи из Института биологической физики Кёльнского университета обнаружили эту связь между электрическими свойствами и образом жизни бактерий.

Хотя бактерии — одноклеточные организмы, они образуют пространственно структурированные сообщества — так называемые биоплёнки. Внутри биоплёнок бактерии ведут себя как коллектив и могут лучше защищаться от внешних стрессов, таких как антибиотики. До сих пор было в значительной степени неизвестно, как происходит переход от одиночной бактерии к такому сложному сообществу.

Исследователи изучили, как меняются электрические свойства бактерий во время формирования биоплёнки, и обнаружили характерные пространственно-временные паттерны электрического потенциала. Эти паттерны коррелировали с развитием новых сред обитания с разной степенью устойчивости к антибиотикам. Результаты описаны в статье «Collective polarization dynamics in bacterial colonies signify the occurrence of distinct subpopulations» в журнале PLOS Biology.

Отдельные бактерии создают электрический потенциал на своей оболочке (мембране), то есть электрически поляризованы. Для клетки эта поляризация — важный источник энергии для дыхания, поглощения питательных веществ и вывода токсинов. Современные методы позволили исследовать динамику мембранного потенциала на уровне отдельных бактериальных клеток. Эти исследования показали, что мембранный потенциал отдельных клеток колеблется независимо от соседних клеток.

Как меняется потенциал во время развития биоплёнки? Какие факторы среды на него влияют? Как потенциал связан с ростом клеток и их устойчивостью к антибиотикам? На эти вопросы ответила команда исследователей под руководством профессора Беренике Майер.

Они изучили ранние стадии формирования биоплёнки у Neisseria gonorrhoeae (гонококка) — возбудителя гонореи, одного из самых распространённых заболеваний, передающихся половым путём, которое может вызывать внематочную беременность и бесплодие. В течение нескольких минут гонококки самоорганизуются в сферические колонии, состоящие из тысяч бактерий.

«С помощью современной световой микроскопии и анализа изображений мы можем измерить динамику мембранного потенциала отдельных клеток в этих колониях, — объясняет первый автор доктор Марк Хеннес. — В свежих колониях потенциал бактерий не коррелирован. Когда колония достигает критического размера, мы наблюдаем нечто совершенно неожиданное: все клетки в центре внезапно увеличивают свой потенциал — они гиперполяризуются». В итоге в центре колонии возникает оболочка из гиперполяризованных клеток, которая перемещается по колонии. После прохождения этой оболочки потенциал в центре становится ниже.

Исследователи интерпретировали это явление пространственно-временных коррелированных паттернов поляризации как переход к коллективному поведению, указывающий на формирование биоплёнки. Комбинация компьютерного моделирования и экспериментов показала, что этот паттерн поляризации, вероятно, связан с изменением доступности кислорода. Он возникает потому, что клетки в центре потребляют кислород быстрее, чем диффузия может его восполнить.

Важным вопросом было, коррелирует ли паттерн мембранной поляризации с известной функциональной неоднородностью биоплёнок. Действительно, бактерии снижали скорость роста после прохождения процесса гиперполяризации, в то время как скорость роста бактерий на поверхности колонии оставалась высокой.

Кроме того, бактерии в центре колонии проявляли большую устойчивость к антибиотикам. Повышенная толерантность к антибиотикам — острая медицинская проблема при лечении биоплёнок. Молекулярные механизмы этой толерантности станут предметом нового проекта. Будущая цель — лучше понять молекулярные механизмы, лежащие в основе формирования паттернов поляризации и их связи с устойчивостью к антибиотикам.