Раскрытие секретов биоплёнок
Большинство бактерий способны формировать сообщества — биоплёнки, которые прикрепляются к самым разным поверхностям и трудно удаляются. Это может создавать серьёзные проблемы, например, в больницах или пищевой промышленности. Международная команда под руководством Еврейского университета в Иерусалиме и Технического университета Дрездена изучила модельную систему для биоплёнок на источниках синхротронного излучения BESSY II в HZB и ESRF и выяснила, какую роль структуры внутри биоплёнки играют в распределении питательных веществ и воды.
Бактериальные биоплёнки могут процветать почти на всех типах поверхностей: на камнях и растениях, на зубах и слизистых оболочках, а также на контактных линзах, медицинских имплантатах или катетерах, в трубах молочной промышленности или водопроводах, где они могут представлять серьёзную угрозу для здоровья человека. Некоторые биоплёнки полезны, например, при производстве сыра, где специфические типы биоплёнок не только создают множество мелких дырочек, но и обеспечивают его вкус.
Ткань со специальными структурами
«Биоплёнки — это не просто скопление множества бактерий, а ткань со специальными структурами», — объясняет профессор Лираз Хай из Еврейского университета в Иерусалиме. Вместе бактерии формируют защитный слой из углеводов и белков — так называемый внеклеточный матрикс. Этот матрикс защищает бактерии от дезинфицирующих средств, УФ-излучения или высыхания и обеспечивает, что биоплёнки действительно трудно удалить механически или уничтожить химически. Однако матрикс не является однородной слизью: «Это немного как в листе растений, там есть специализированные структуры, например, водные каналы, расположенные в крошечных морщинках», — говорит Хай. Но какую роль играют эти структуры и что происходит на молекулярном уровне в биоплёнке, до сих пор не было известно. Вместе с профессором Яэль Полити из TU Dresden, экспертом по характеристике биологических материалов, Хай подала заявку на время измерений на источнике синхротронного излучения BESSY II в HZB.
«Хорошая сторона BESSY II в том, что мы можем картировать довольно большие области. Комбинируя рентгеновскую дифракцию с флуоресценцией, мы можем не только очень точно анализировать молекулярные структуры по всей биоплёнке, но и одновременно отслеживать накопление определённых ионов металлов, которые транспортируются в биоплёнке, и узнавать о некоторых их биологических ролях», — отмечает Яэль Полити.
Модельная система для многих биоплёнок
В качестве образцов учёные использовали биоплёнки из Bacillus subtilis, безвредной бактерии, которая процветает на корнях растений и образует с ними полезный симбиоз: она запасает воду, чтобы растение могло получать влагу из биоплёнки во время засухи, а также защищает корни от патогенов. Взамен клетки в биоплёнке питаются корневыми выделениями. Тем не менее, бактерии Bacillus subtilis могут служить модельной системой для многих других бактериальных биоплёнок.
На пучковой линии MySpot в BESSY II они исследовали большую область (мм²) этих образцов биоплёнки. Они смогли пространственно разрешить структуры внутри биоплёнки и хорошо различить компоненты матрикса, бактериальные клетки, споры и воду. «Рентгенофлуоресцентная спектроскопия — это метод, который позволяет нам идентифицировать важные ионы металлов, такие как кальций, цинк, марганец и железо», даже когда они присутствуют в следовых количествах, говорит доктор Иво Зизок, физик HZB, ответственный за пучковую линию MySpot. Это позволило установить корреляцию между морфологией биоплёнки и распределением ионов металлов.
Образование спор в неожиданных местах
Оценка данных показывает, что ионы кальция предпочтительно накапливаются в матриксе, в то время как ионы цинка, марганца и железа накапливаются вдоль морщин, где они, возможно, могут запускать образование спор, важных для расселения бактерий.
«Мы этого не ожидали, потому что обычно споры образуются при стрессе, например, обезвоживании. Но здесь они связаны с водными каналами, вероятно, из-за накопления ионов металлов», — говорит Хай.
Результаты показывают, что структуры в матриксе не только играют важную роль в распределении питательных веществ и воды, но и активно влияют на способность бактерий вести себя как многоклеточный организм. «Это может помочь нам лучше справляться с биоплёнками в целом, как с полезными, так и с вредными», — говорит Лираз Хай.