Новая техника визуализации отслеживает отдельные бактериальные клетки, покидающие биоплёнку

Инновационная техника визуализации, разработанная в Университете Карнеги-Меллон, позволила наблюдать за отдельными бактериальными клетками, покидающими своё сообщество — биоплёнку. Наблюдение в реальном времени с высоким разрешением даёт беспрецедентное представление о том, как отдельные клетки в биоплёнках перемещаются и как происходит их дисперсия.

Результаты, опубликованные в PLOS Biology, дают фундаментальное представление о механизмах распространения патогенов в биоплёнках.

Большинство бактерий проводят значительную часть жизни в многоклеточных сообществах — биоплёнках. Такая жизнь позволяет им коллективно получать питательные вещества и противостоять угрозам, включая антибиотики и хлорирование. По некоторым оценкам, до 70% бактериальных инфекций у человека вызываются бактериями, образующими биоплёнки.

Хотя биоплёнки прикреплены к поверхностям, они не статичны. Многие типы, например, образованные Vibrio cholerae, проходят повторяющиеся циклы формирования и распада, позволяя освободившимся бактериям перемещаться.

«Способность переходить в состояние биоплёнки и выходить из неё критически важна для распространения бактерий между нишами. Это могут быть разные среды или, что более актуально, разные хозяева или очаги инфекции», — пояснил Дрю Бриджес, доцент кафедры биологических наук.

Распад и дисперсия биоплёнки играют ключевую роль в распространении болезней, но до сих пор изучать эти процессы с помощью микроскопии было невозможно.

«Никто не мог визуализировать дисперсию биоплёнки с таким разрешением, как нам удалось. И это благодаря технологии FAP-метки», — сказал Бриджес.

FAP (fluorogen-activating proteins, флуороген-активирующие белки) излучают флуоресцентный свет только при связывании с флуорогеном — в остальном нефлуоресцентным красителем. Они излучают свет в дальнем красном диапазоне, который обычно менее токсичен для живых организмов и лучше подходит для визуализации через ткани.

FAP идеально обходят распространённую проблему визуализации биоплёнок. Традиционным флуоресцентным белкам для свечения нужен кислород. Но в плотных биоплёнках кислорода мало, что мешает красителям светиться. FAP не чувствительны к нехватке кислорода.

FAP были разработаны в Карнеги-Меллон в 2008 году. В данном исследовании они впервые использованы для визуализации биоплёнок.

Лаборатория Бриджеса, в сотрудничестве с экспертом по FAP Робертом ван де Вердом, встроила FAP в геном бактерий Vibrio cholerae. Учёные добавили к растущей колонии флуорогены на основе малахитового зелёна, которые связались с FAP и излучали дальний красный флуоресцентный свет.

Используя конфокальную микроскопию на вращающемся диске, команда отслеживала клетки в биоплёнках V. cholerae в процессе их движения, распада и дисперсии.

Визуализация в реальном времени на уровне одной клетки показала, что бактерии начинают рассеиваться с краёв. Более интересным для Бриджеса стало наблюдение, что субпопуляция клеток, около 20–25%, остаётся и никогда не покидает биоплёнку. Учёные исследуют, связано ли это с тем, что они просто «заперты», или есть иная причина.

Визуализация также выявила формирование локализованных динамических регионов, или «горячих точек» дисперсии, где клетки демонстрировали значительные смещения наружу. Также наблюдалось, что некоторые клетки на периферии биоплёнки не уходили, а сжимались к её ядру. Гипотеза Бриджеса: сами клетки являются основным механическим компонентом биоплёнки, и по мере их ухода общая структура коллапсирует.

В целом, результаты предполагают модель, в которой определённые области биоплёнки становятся более жидкообразными, позволяя клеткам двигаться наружу даже из внутренних зон. В то же время более жёсткие группы клеток сжимаются, заполняя освободившееся пространство.

Лаборатория Бриджеса исследует, как эти локальные различия в механических свойствах устанавливаются во время развития и дисперсии биоплёнки. Они также планируют применить технологию FAP-метки к другим известным формирователям биоплёнок.