Бактерии передвигаются без жгутиков, используя сахарные потоки и молекулярные механизмы

от

Новые исследования из Университета штата Аризона раскрывают удивительные способы передвижения бактерий без жгутиков — тонких, похожих на хлыст пропеллеров, которые обычно приводят их в движение.

Передвижение позволяет бактериям образовывать сообщества, распространяться в новые места или спасаться от опасности. Понимание того, как они это делают, может помочь нам разработать новые инструменты для борьбы с инфекциями.

В первом исследовании Навиш Вадхва и его коллеги показывают, что сальмонелла и кишечная палочка (Escherichia coli) могут перемещаться по влажным поверхностям, даже когда их жгутики выведены из строя.

В рамках своего метаболизма бактерии ферментируют сахара и создают крошечные внешние потоки на влажной поверхности. Эти потоки уносят колонию вперёд, подобно листьям, дрейфующим по тонкому потоку воды.

Исследователи называют эту новую форму движения «swashing» (суавшингом). Она может помочь объяснить, как вредные микробы успешно колонизируют медицинские устройства, раны или поверхности, используемые для обработки пищевых продуктов.

Понимание того, как метаболизм управляет движением бактерий, может помочь исследователям разработать новые методы борьбы с инфекциями, например, путём изменения местного pH или доступности сахара.

Вадхва — исследователь Центра механизмов эволюции Biodesign и доцент кафедры физики в ASU.

Исследование опубликовано в Journal of Bacteriology. Журнал выделил статью как выбор редактора, подчеркнув важность исследования.

Когда бактерии питаются такими сахарами, как глюкоза, мальтоза или ксилоза, они иногда выделяют кислые побочные продукты, такие как ацетат и формиат. Эти побочные продукты вытягивают воду с поверхности, создавая потоки, которые толкают бактерии наружу. Ферментируемые сахара необходимы для этого процесса — без них микробы не могут двигаться таким образом.

Богатые сахаром среды в организме, такие как слизь, могут способствовать распространению вредных бактерий и вызывать инфекции.

Когда исследователи добавили в колонии молекулы, похожие на моющие средства, известные как сурфактанты, бактерии перестали суаш. В отличие от этого, сурфактанты не влияли на роение — скоординированную форму движения, основанную на жгутиках, которая позволяет бактериям быстро распространяться по влажным поверхностям.

Это говорит о том, что обе формы движения используют различные физические механизмы, и что сурфактанты могут использоваться для выборочного подавления (или усиления) движения бактерий в зависимости от того, суаш они или роятся.

Тот факт, что бактерии могут колонизировать поверхности, даже когда их обычные плавательные механизмы нарушены, имеет важные последствия для здоровья человека. Некоторые микробы могут распространяться по медицинским катетерам, имплантатам и больничному оборудованию. Блокировки жгутиков может быть недостаточно, чтобы остановить их. Вместо этого нам, возможно, потребуется вмешаться в химические процессы, которые они используют для питания этого движения.

Во втором исследовании автор-корреспондент Абхишек Шривастава и его коллеги рассмотрели тип бактерий, известный как флавобактерии. В отличие от кишечной палочки, эти бактерии не плавают; скорее, они перемещаются по поверхностям окружающей среды и хозяина, используя механизм, называемый системой секреции типа 9 (T9SS), который приводит в движение молекулярный конвейер.

Обычно T9SS помогает этим бактериям скользить по поверхностям. Это происходит путём перемещения клейкой ленты вокруг тела клетки, подтягивая бактерию вперёд, как микроскопический снегоход. Исследователи обнаружили, что белок-конвейер под названием GldJ действует как переключатель передач, контролируя направление этого вращающегося двигателя.

Если удалить небольшую часть GldJ, двигатель переключает вращение с против часовой стрелки на движение по часовой стрелке, меняя направление движения бактерий. Исследование подробно описывает этот молекулярный механизм и показывает, как он позволяет бактериям точно настраивать направление своего движения, давая им эволюционное преимущество в навигации по сложным средам.

Помимо обеспечения движения бактерий, T9SS также имеет большое значение для здоровья человека, играя как вредные, так и полезные роли в зависимости от микробного сообщества. В микробиоме полости рта человека бактерии, содержащие T9SS, связаны с заболеваниями дёсен, где их секретируемые белки способствуют воспалению во рту и мозге, способствуя развитию таких заболеваний, как болезни сердца и болезнь Альцгеймера.

В то же время в микробиоме кишечника секретируемые T9SS белки могут защищать антитела от деградации, тем самым укрепляя иммунитет и повышая эффективность оральных вакцин.

Понимание того, как работает эта коробка передач, может помочь учёным разработать способы блокирования образования бактериями слизистых бактериальных сообществ, известных как биоплёнки, вызывающих инфекции и загрязняющих медицинские устройства, но также использовать её полезные свойства для укрепления здоровья и разработки целевых методов лечения микробиома.

Шривастава — исследователь Центра фундаментальной и прикладной микробиомной биодизайна, Центра механизмов эволюции биодизайна и доцент Школы наук о жизни ASU. Исследование опубликовано в журнале mBio.

На первый взгляд, два открытия — суаш и молекулярное переключение передач — кажутся далёкими друг от друга. Но их объединяет общая тема: бактерии эволюционировали, разработав множество удивительных способов распространения. Чем больше стратегий есть у бактерий, тем сложнее их сдержать.

Новые данные также подчёркивают необходимость свежего подхода к борьбе с бактериальными заболеваниями. Многие традиционные подходы часто были сосредоточены на подавлении жгутиков. Но, как показывают эти исследования, бактерии могут обойти это ограничение.

Исследование предполагает, что контроль над бактериальной средой, включая такие факторы, как уровень сахара, pH и химия поверхности, может быть столь же важен, как и нацеливание на гены бактерий. А нарушение работы ключевых молекулярных механизмов, таких как коробка передач T9SS, может предотвратить движение бактерий, а также секрецию белков, которые делают их опасными.

Предоставлено Университетом штата Аризона.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте