«Инфекции биопленки P. aeruginosa являются основной причиной смерти людей, страдающих кистозным фиброзом, генетическим заболеванием, поражающим легкие и пищеварительную систему», — сказал главный исследователь Ларс Дитрих, доцент биологических наук. «Понимание путей, которые способствуют выживанию и вирулентности P. aeruginosa и других бактерий, способных существовать в условиях кислородного голодания, может дать информацию о подходах к лечению многих из этих и других пациентов с ослабленным иммунитетом».Исследование появится на этой неделе в журнале eLife.Бактерии редко живут сами по себе как одноклеточные организмы.
Вместо этого большинство из них растут в сообществах, используя силу чисел, чтобы сформировать биопленку с тканевыми свойствами, подобными каркасу, который служит для укрепления сообщества, делая его в 1000 раз более устойчивым к большинству антибиотиков.Каждая отдельная клетка должна сама извлекать электроны из пищи, которые затем транспортируются по клеточной мембране, пока не достигнут молекулы кислорода. Энергия, выделяемая во время этого метаболического процесса, используется для поддержания жизни.
Однако по мере того, как сообщества бактерий продолжают расти и формироваться в биопленку, они могут стать перенаселенными, создавая среду, в которой каждой клетке приходится бороться за ограниченные питательные вещества и кислород, чтобы выжить.Исследования показали, что некоторые бактерии, в том числе P. aeruginosa, выработали разные стратегии реагирования и преодоления условий низкого содержания кислорода в биопленках. Сообщества бактерий могут, например, изменить общую структуру биопленки, так что соотношение ее площади поверхности к объему будет выше, а большая часть клеток внутри сможет получить доступ к кислороду снаружи.
P. aeruginosa также может производить молекулы, называемые феназинами, которые помогают перемещать электроны изнутри наружу клетки и, в конечном итоге, к кислороду, доступному на расстоянии. Другая стратегия состоит в создании альтернативных версий терминальных оксидаз, ферментов в мембране, которые переносят электроны на кислород, которые используют кислород более эффективно или лучше поглощают кислород, когда его концентрация низкая. Несмотря на то, что было проведено множество исследований для изучения важности этих ферментов и стратегий для роста P. aeruginosa, они в основном проводились в хорошо насыщенных кислородом жидких культурах в лаборатории. Когда P. aeruginosa заражает настоящего хозяина, например человека, он часто вырастает в виде биопленки и попадает в совершенно разные условия.
При федеральном финансировании Национальных институтов здравоохранения и Национального научного фонда Дитрих, первый автор Джаньюнг Джо, и их коллеги решили лучше понять, важны ли конкретные терминальные оксидазы для метаболизма P. aeruginosa в сообществах биопленок, как феназины могут компенсировать низкий уровень кислорода и то, как эти адаптированные стратегии могут способствовать способности P. aeruginosa вызывать инфекции.Они обнаружили, что цепь переноса электронов, столь важная для преобразования электронов в энергию, может работать и действует глубоко в биопленке, лишенной кислорода, и что в этих средах бактерия зависит от определенной части терминальной оксидазы цепи — белка. называется CcoN4 — для доступа к кислороду и нормального роста. Клетки, в которых отсутствует этот белок, не выживают так же хорошо, как клетки с ним, поэтому исследователи полагают, что CcoN4 способствует вирулентности бактерий.
Они также обнаружили, что CcoN4 играет роль в оптимальном использовании феназинов в биопленках. Хотя ранее было показано, что эти феназины метаболически компенсируют условия с низким содержанием кислорода в биопленках P. aeruginosa, механизм, позволяющий это сделать, оставался научной загадкой.
«Эта бактерия отлично умеет находить различные стратегии доступа к кислороду», — сказал Дитрих. «Мы знали, что в этом участвуют феназины и что они каким-то образом помогают клетке получать кислород, но мы не знали, как. Похоже, они исходят от цепи переноса электронов. Это важное открытие.
Мы знаем, что бактериальные клетки действуют по-разному. метаболизма энергии в богатой кислородом среде, но долгое время мы не могли понять, как они это делают, когда доступ к кислороду затруднен ».Полученные данные могут иметь большое значение для лечения инфекций биопленки P. aeruginosa, поскольку понимание путей, которые способствуют выживанию и вирулентности P. aeruginosa, может дать информацию о подходах к лечению пациентов. Например, разработка методов лечения, которые блокируют терминальные оксидазы, содержащие CcoN4, ослабят бактерии и их способность вызывать инфекцию.
«Мы начинаем все больше и больше понимать, как клетки могут выжить в довольно ужасных обстоятельствах», — сказал Дитрих. «Мы понимаем механизм. Теперь мы можем начать искать способы остановить этот процесс».
Соавторами статьи являются Криста Кортес, Уильям Коул Корнелл и Алекса Прайс-Уилан из Колумбийского университета.