Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Патогенные микроорганизмы берут уроки плавания
Некоторые бактерии плавают, чтобы исследовать окружающую среду. Они делают это используя хлыстообразные «хвосты» (жгутики) для придания силы движениям. Подвижность может быть чрезвычайно важна для их выживания. Благодаря этому навыку они находят питательные вещества или реагируют на химические вещества, которые они притягивают или отталкивают посредством хемотаксиса. Однако, и здесь есть обратная сторона — бактерии могут использовать свой навык подвижности чтобы вызывать более серьезные инфекции. Наличие “навыка” плавания у Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка) является одним из факторов вирулентности для людей. Исследователи смогли объяснить как этот вид делает свою плавательную подвижность более эффективной. Но что именно они открыли, и что это значит для нас?
P. aeruginosa — наш плавающий микрозлодей
Виды Pseudomonas представляют собой разнообразную группу протеобактерий. Наиболее известной из них является оппортунистический патоген человека P. aeruginosa, который изучается уже более века. P. aeruginosa легко культивировать, и, поскольку манипулировать ее геномом несложно, она является одной из звезд мировых исследований в области микробиологии. Хотя бактерия и не является крайне вирулентной, она все же обладает способностью быстро расти и образовывать весьма прочную биопленку. Но это не единственные причины, делающие ее опасной.
Устойчивость к антибиотикам (главный кошмар системы здравоохранения)
P. aeruginosa является наиболее частой причиной инфекций ожоговых ран. Кроме того, она часто вызывает внутрибольничные инфекции, связанные с использованием респираторов (особенно у больных муковисцидозом) и катетеров. Больницы — идеальная среда для развития устойчивости бактерий к антибиотикам. Согласно недавнему отчету ВОЗ об устойчивости микроорганизмов к антибиотикам в Европе, P. aeruginosa является одним из девяти патогенов, вызывающих беспокойство ученых. Кроме того, штаммы P. aeruginosa с множественной лекарственной устойчивостью ежегодно убивают несколько тысяч человек в США (по данным CDC). Это говорит о том, что изучение инфекций P. aeruginosa и механизмов их распространения является крайне важным.
Как они двигаются?
Распространению различных бактериальных инфекций способствует подвижность микробов, как например, плавание. Многие виды бактерий являются жгутиковыми, то есть у них есть по крайней мере один спиральный «хвост» с вращающимся двигателем у основания. Разнообразие числа жгутиков и направление их вращения определяет способ плавания. Моторы-жгутики могут вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки. Это либо тянет, либо толкает организм. В случае с кишечной палочкой, у нее может быть до десяти жгутиков!
Как работает жгутик у P. aeruginosa
P. aeruginosa имеет только один жгутик, и исследователи недавно установили, что он обеспечивает патогену плавание по схеме «бег-реверс-пауза». Движение «бега» обеспечивается вращением жгутика против часовой стрелки. Он толкает клетку вперед в режиме «толкать». Впоследствии, вращение по часовой стрелке вызывает «обратное» движение, которое меняет направление плавания примерно на 180°. Этот тип движения также называют «тянущим», при котором клетка притягивается к жгутику. Однако, механизм этапа «пауза» оставался нераскрытым в течение нескольких лет, а небольшие изменения в направлении считались результатом Броуновского движения. До тех пор пока…
Закрутка
Исследователи с факультета физики Китайского университета науки и технологий в Хэфэй решили внимательно изучить момент «паузы» в плавательном поведении P. aeruginosa. Чтобы визуализировать жгутик под флуоресцентным микроскопом, Тиан и др. спровоцировали мутацию, которая позволила им прикрепить флуоресцентный маячок к белку FliC. Затем, они культивировали бактерии в специальных 3D-камерах, что позволило им наблюдать под микроскопом за подвижностью бактерий. Удивительно, но ученые обнаружили, что во время “плавательной паузы” P. aeruginosa обвивает клетку своим жгутиком.
Как происходит закрутка?
Исследователи не ограничились простой визуализацией. Они решили изучить причину такого поведения, и почему это удобно и выгодно для P. aeruginosa. Во-первых, группа обнаружила механизм, лежащий в основе этой «закрутки». Оказалось, что это происходит тогда, когда изгиб жгутикового мотора становится неустойчивым из-за сил, действующих на него в режиме «тяни». «Закрученное» положение жгутика также неустойчиво – жгутиковый крючок при «заворачивании» сильно изгибается, и, через некоторое время, крючок распрямляется от физического напряжения, переходя в режим «толкания».
Полезна ли закрутка для бактерий?
Помимо наблюдений через микроскоп, ученые измеряли скорость движения, смену угла направления и скорость вращения. Благодаря своим расчетам, они обнаружили, что этап “обвивания” жгутика вокруг клетки дает бактерии более широкий спектр возможностей при смене направления. Когда P. aeruginosa плывет в режиме «бег-реверс», переключатель «тянуть» ↔ «толкать» заставляет клетку развернуться (угол разворота составляет от 150° до 180°). Однако «закрутка» между этими режимами приводит к тому, что диапазон углов поворота становится намного больше (0°-180°). Расширение диапазона выгодно для бактерий, так как это делает исследование окружающей среды более эффективными. Но как это работает на практике?
Химическое притяжение
В своем последнем эксперименте ученые использовали ряд физических свойств клетки (например, скорость, углы поворота и толчок жгутиков) в режиме «бег-реверс-закрутка» для расчета смоделированной модели хемотаксиса P. aeruginosa. Используя массив данных и различные условия тестирования, они рассчитали насколько быстро клетка дрейфует к веществу в зависимости от того, включает ли она «закрутку» в свое передвижение. Как и ожидалось, исследователи обнаружили, что такое поведение улучшает хемотаксис P. aeruginosa. Как правило, режим «закрутки» позволял клетке дрейфовать примерно на 20% быстрее.
Нужно ли нам знать про закрутку?
В целом, эксперимент продемонстрировал, что P. aeruginosa обладает уникальным типом передвижения – «закручивание» жгутика. Это делает его лучшим исследователем окружающей среды. Однако, для нас это может означать несколько вещей. Во-первых, сильная подвижность жгутиков у P. aeruginosa связана с худшими исходами инфекции. Режим «закрутки» может позволить бактериям более эффективно колонизировать раны (как в случае с ожоговыми ранами) или легкие (вызывая пневмонию). Таким образом, во время проблем с резистентностью к антибиотикам наличие подвижности у микробов позволяет им стать кандидатами на роль мишени при изучении новых методов лечения. Стоит отметить, что это может относиться и к другим видам патогенов. Исследователи считают, что механизм жгутиковой «закрутки» вдохновит на исследования в области микроробототехники, которая однажды может произвести революцию в медицине. Молодец, P. aeruginosa, злая ты микро-рок-звезда!
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья: Tian M., Wu Z., Zhang R., and Yuan J. (2022). A new mode of swimming in singly flagellated Pseudomonas aeruginosa. PNAS, 119(14)e2120508119.
Изображение: Создано автором статьи (Marta Matuszewska)
micro-bites.org 