Возвращение классической методики для нового взгляда на защиту бактериальных биоплёнок

от

Исследователи из Калифорнийского технологического института возродили классический метод визуализации формирования и роста отдельных клеток, составляющих биоплёнки — липкие массы из миллионов клеток, часто ответственные за инфекции, устойчивые к антибиотикам. Этот метод поможет ответить на давние вопросы о поведении биоплёнок и даст понимание, которое может помочь в борьбе с ними в контексте хронических инфекций.

Исследование проводилось в лаборатории Дайанн Ньюман, профессора биологии и геобиологии имени Гордона М. Биндера/Amgen и профессора Института Меркина, под руководством постдокторанта Джорджии Сквайрс. Статья с описанием работы опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Биоплёнки как единое целое обладают свойствами, которых нет у отдельных клеток.

Биоплёнки демонстрируют групповое поведение, защищающее их от антибиотиков, например, создание защитной матрицы. Сквайрс и Ньюман хотели понять, как клетки в биоплёнке совместно создают эти защитные механизмы.

Для этого исследователям сначала нужно было визуализировать и отслеживать поведение всех клеток биоплёнки одновременно. Биологическую визуализацию часто проводят с помощью флуоресцентных белков, но для их работы требуется кислород. Важно отметить, что внутренние ядра биоплёнок часто лишены кислорода, а значит, обычные методы флуоресцентной маркировки клеток не работают.

В новом исследовании Сквайрс вернула к жизни флуоресцентную технику, чтобы маркировать среду, в которой растут клетки, а не сами клетки, используя дешёвый и нетоксичный краситель. Краситель делал клетки тёмными на ярком фоне. Этот метод работает даже в ядре биоплёнки и увеличивает время, в течение которого биоплёнки можно визуализировать с высоким разрешением.

Объединив этот метод с алгоритмом для обнаружения поведения отдельных клеток, Сквайрс смогла отслеживать рост биоплёнки и динамику клеток в течение многих дней.

Команда использовала Pseudomonas aeruginosa — часто изучаемый патоген, ответственный за инфекции. Однако этот метод может быть применён к любому виду бактерий, образующему биоплёнки.

«То, что сделала Джорджия, было технически сложной задачей на нескольких уровнях, и это большое достижение, — говорит Ньюман. — Но меня впечатляет не столько техника, сколько её видение того, что с ней делать. Используя уникальные особенности бактериальных биоплёнок, она задаёт вопросы, которые открывают новые горизонты в области развития и клеточной биологии».

С помощью новой методики Сквайрс ответила на открытый вопрос о том, как развивается биоплёнка. Отдельные клетки в биоплёнке окружены вязким веществом, называемым внеклеточным матриксом, который включает ДНК. Эта внеклеточная ДНК (eDNA) высвобождается в матрицу, когда клетки умирают и взрываются в процессе, называемом лизисом. Эта eDNA является основным компонентом биоплёнки, помогая клеткам склеиваться, придавая ей структурную стабильность и сохраняя определённые метаболиты, необходимые для развития биоплёнки.

Некоторые антибиотики также застревают во внеклеточной ДНК, что мешает им достичь клеточных мишеней. Учитывая, что eDNA высвобождается при гибели клеток, определённые клетки в биоплёнке эффективно жертвуют собой, чтобы поддерживать непрерывный запас eDNA в матриксе.

Чтобы понять, как выбираются эти жертвенные клетки в биоплёнке, Сквайрс хотела визуализировать, какие клетки подвергаются лизису в биоплёнке, и понаблюдать, расположены ли они в каких-либо определённых позициях внутри более крупной структуры. Она обнаружила, что примерно 1 из каждых 10 000 клеток лизируется в час, и эти клетки расположены в определённых позициях в биоплёнке, которые определяются градиентами питательных веществ, таких как углерод и кислород.

«Устойчивость к антибиотикам в биоплёнках координируется отдельными клетками, и я надеюсь, что эта работа даст новую основу для изучения их поведения», — говорит Сквайрс.

Предоставлено Калифорнийским технологическим институтом.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте