В научной фантастике часто встречаются сценарии с капсулами для спасения, в которых герои едва избегают гибели, покидая космический корабль. Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что сообщества бактерий обладают аналогичной способностью к выбросу.
Группы бактерий, известные как биопленки, живут на поверхностях вокруг нас. Эти микроскопические скопления широко распространены в водной среде — от гладкой поверхности озерных камней до слизистых отложений в водопроводных трубах. Биопленки также обитают на некоторых участках нашего тела, в том числе на коже и поверхности зубов.
Ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего из лаборатории профессора Гюрола Сюэля на факультете биологических наук впервые задокументировали феномен выброса биопленки при изучении бактерии, известной как сенная палочка (Bacillus subtilis). Ранее считалось, что биопленки, столкнувшиеся с гибелью, просто растворяются и исчезают. К своему удивлению, исследователи обнаружили, что единственные организмы с подобным механизмом — это медузы.
«Мы выяснили, что в конце своего жизненного цикла бактериальные биопленки принудительно выбрасывают из сообщества определенные клетки, — говорит Сюэль, профессор кафедры молекулярной биологии, о результатах исследования, опубликованных в Nature Microbiology. — Биопленка чувствует, что ей грозит опасность, и выбрасывает клетки из сообщества, как спасательную капсулу».
Исследователи использовали приборы с высоким разрешением, которые позволяли получать изображения биопленок с разрешением на уровне отдельных клеток. Это позволило провести беспрецедентные исследования внеклеточного матрикса — сети молекул, которые соединяют клетки и поддерживают их. Математическое моделирование, проведенное совместно с коллегами из Университета Помпеу Фабра (Испания), позволило разобраться в физике процесса выброса, которая ранее оставалась скрытой.
Затем аспиранты из лаборатории Суэля установили, что за выбросом клеток стоят механические силы, создаваемые самоорганизующейся сетью полимеров, известных как гидрогели. В частности, при производстве поли-γ-глутаминовой кислоты (γ-PGA) образуется гидрогель, который может впитывать воду в количестве, в тысячу раз превышающем его собственный вес. Набухание γ-PGA заставляет внутренние клетки прорываться через внешние слои и освобождаться от биопленки.
Способность к выбросу клеток позволяет биопленке, столкнувшейся с нехваткой питательных веществ или другими угрозами, обеспечить выживание сообщества за счет высвобождения подвижных клеток, которые могут уплыть и колонизировать новое место. «Биопленка знает, что ей грозит гибель, поэтому она выбрасывает часть своих клеток, чтобы они могли выжить и продолжить борьбу», — говорит Суэль.
Разобравшись в деталях процесса выброса клеток, исследователи подтвердили свои выводы, контролируя и манипулируя этой функцией с помощью генетики и химических реакций. Команда показала, что они могут заставить биопленку разрушиться, вырабатывая избыточное количество y-PGA.
Поскольку бактериальные биопленки обладают высокой устойчивостью к антибиотикам и представляют растущую угрозу общественному здоровью, разрушение биопленок может найти применение в будущем как новый метод уничтожения вредных бактериальных сообществ без использования лекарств.
«Мы показали, что биопленки можно разрушить без применения антибиотиков или токсичных химикатов, просто увеличив выработку y-полигидроксиалканоата», — утверждают исследователи. Результаты также могут быть полезны для концептуального понимания распространения рака, поскольку опухоли имеют общие черты с бактериальными биопленками, в том числе способность к метастазированию, при котором из опухоли высвобождаются раковые клетки.
[Фото: Süel lab, UC San Diego]
