Биологи открыли «чувство осязания» у бактерий
Исследователи из Университета Индианы, статья которых опубликована 26 октября в журнале Science, сообщили о новом методе, позволяющем определить, как бактерии чувствуют контакт с поверхностью. Это действие запускает формирование биоплёнок — многоклеточных структур, которые вызывают серьёзные проблемы со здоровьем у людей и угрожают критической инфраструктуре, такой как системы водоснабжения и канализации.
По оценкам, биоплёнки способствуют развитию около 65% инфекций у человека и ежегодно наносят ущерб в миллиарды долларов. Они сыграли печально известную роль в превышении небезопасных уровней колиформ в системе водоснабжения 21 миллиона американцев в начале 1990-х, а недавно, вероятно, были причастны к нескольким вспышкам болезни легионеров во Флинте, штат Мичиган. Они также регулярно способствуют глобальным вспышкам холеры.
В промышленности биоплёнки наносят серьёзный ущерб, засоряя системы фильтрации воды или замедляя грузовые суда за счёт «биообрастания» корпусов, что обходится примерно в 200 миллиардов долларов в год только в США. Существуют и полезные биоплёнки, например, те, что помогают пищеварению или разложению органического вещества в окружающей среде.
Исследователи под руководством заслуженного профессора биологии Ив Брюна обнаружили, как бактерии обнаруживают и прикрепляются к поверхностям. Они также нашли способ «обмануть» бактерии, заставив их думать, что они чувствуют поверхность.
Команда показала, что бактерии используют ультратонкие волосовидные выросты, называемые пили, которые динамично выдвигаются из клетки и втягиваются обратно, чтобы ощупывать и прилипать к поверхностям, что в конечном итоге приводит к образованию биоплёнок. После обнаружения поверхности движение пили прекращается, после чего бактерии начинают производить чрезвычайно липкое вещество, или «биоадгезив», которое обеспечивает прикрепление к поверхности и формирование биоплёнки.
Чтобы обмануть бактерии, команда Брюна присоединила к пили крупную молекулу малеимида, которая эффективно блокирует движение этих волосовидных структур.
«Это похоже на попытку протащить верёвку с узлом посередине через отверстие — молекула малеимида не может пройти через отверстие, которое клетка использует для выдвижения и втягивания пили», — сказала ведущий автор исследования Кортни Эллисон.
«Эти результаты говорят нам, что бактерии чувствуют поверхность так же, как рыбак понимает, что его леска зацепилась под водой, — добавил Брюн. — Только когда они начинают сматывать леску, они чувствуют натяжение, которое говорит им, что леска зацепилась. Пили бактерий — это их рыболовные лески».
Открытие стало возможным благодаря новому методу команды для наблюдения за тем, как бактерии используют пили для распространения биоплёнок. Они достигли этого с помощью точно доставляемых флуоресцентных красителей — доставленных «на спине» более мелких молекул малеимида, — которые показали движение этих микроскопических «конечностей».
«Используя флуоресцентные красители для маркировки этих микроскопических структур, мы смогли получить изображения, которые показывают первые прямые доказательства роли пили в обнаружении поверхностей», — сказал Брюн.
Чтобы наблюдать движение пили, команде IU пришлось преодолеть проблему: как визуализировать чрезвычайно тонкие структуры и их движение. Они сделали это, заменив одну аминокислоту в цепи аминокислот, составляющих пили, на другую аминокислоту под названием цистеин. Малеимид, который доставлял флуоресцентные красители к белкам пили, связывается с цистеином. Малеимид также использовался для доставки крупной молекулы к цистеину в белке пили, чтобы физически заблокировать движение пили.
«Это как включить свет в тёмной комнате, — сказала Эллисон. — Пили состоят из тысяч белковых субъединиц, называемых пилинами, причём каждый белок в цепи состоит из аминокислот, расположенных как запутанная гирлянда перегоревших рождественских огней. Замена одной лампочки может осветить всю гирлянду».
Создание молекулы цистеина, которая могла бы заменить аминокислоту в пилинах, не влияя на общее поведение пили, было серьёзной задачей, добавила она. Бактерией, использованной в эксперименте, была Caulobacter crescentus, часто применяемая в лабораторных опытах.
«Мы также использовали этот метод в данном исследовании для визуализации трёх типов пили, производимых Vibrio cholerae, бактерией, вызывающей холеру, — сказал соавтор исследования Анкур Далия. — Пили критически важны для многих аспектов вирулентности Vibrio, и теперь мы используем этот мощный инструмент, чтобы понять, как они их используют».
Далее Брюн и коллеги надеются раскрыть точные механизмы, связывающие движение пили и производство биоадгезива, поскольку эти два процесса, по-видимому, связаны, но точная природа связи остаётся неизвестной.
«Чем больше мы понимаем механику пили в формировании биоплёнок и вирулентности, тем больше мы можем манипулировать этим процессом, чтобы предотвратить вред для людей и имущества», — заключил Брюн.