Studie odhalují dvě nové, kritické strategie pro pohyb bakteriálního povrchu

Nové studie z Arizona State University odhalují překvapivé způsoby, jak se bakterie mohou pohybovat bez jejich bičíků – štíhlých bičovitých vrtulí, které je obvykle pohánějí vpřed.

Pohyb umožňuje bakteriím vytvářet komunity, šířit se na nová místa nebo uniknout nebezpečí. Pochopení toho, jak to dělají, nám může pomoci vyvinout nové nástroje pro boj proti infekcím.

V první studii Navish Wadhwa a kolegové ukazují, že salmonela a E. coli se mohou pohybovat přes vlhké povrchy, i když jsou jejich bičíky vyřazeny. V rámci svého metabolismu bakterie fermentují cukry a vytvářejí na vlhkém povrchu drobné vnější proudy. Tyto proudy nesou kolonii kupředu, jako listy unášené na tenkém proudu vody.

Vědci tuto novou formu pohybu nazývají „swashing“. Může pomoci vysvětlit, jak škodlivé mikroby úspěšně kolonizují lékařské přístroje, rány nebo povrchy pro zpracování potravin. Pochopení toho, jak metabolismus řídí pohyb bakterií, by mohlo výzkumníkům pomoci vyvinout nové techniky k omezení infekcí, například změnou místního pH nebo dostupnosti cukru.

„Byli jsme ohromeni schopností těchto bakterií migrovat přes povrchy bez funkčních bičíků. Ve skutečnosti naši spolupracovníci původně navrhli tento experiment jako ‚negativní kontrolu‘, což znamená, že jsme očekávali (po vykreslení) bez bičíků, že se buňky nebudou pohybovat,“ říká Wadhwa. „Ale bakterie migrovaly s opuštěností, jako by se nic nedělo, a vydali nás na mnohaleté pátrání, abychom pochopili, jak to dělají.“

To jen dokazuje, že i když si myslíme, že jsme něco vymysleli, často pod povrchem, nebo v tomto případě nad ním, číhají překvapení.“

Navish Wadhwa, Arizona State University

Wadhwa je výzkumným pracovníkem Biodesign Center for Mechanisms of Evolution a odborným asistentem na katedře fyziky ASU.

Studie se objevuje v Journal of Bacteriology. Článek byl vybrán časopisem jako Tip editora, což zdůrazňuje důležitost výzkumu.

Cukrem poháněné praní

Když se bakterie živí cukry, jako je glukóza, maltóza nebo xylóza, někdy uvolňují kyselé vedlejší produkty, jako je acetát a mravenčan. Tyto vedlejší produkty čerpají vodu z povrchu a vytvářejí proudy, které vytlačují bakterie ven. Zkvasitelné cukry jsou pro tento proces nezbytné – bez nich se mikrobi nemohou tímto způsobem pohybovat. Prostředí v těle bohaté na cukr, jako je hlen, může ve skutečnosti pomoci šíření škodlivých bakterií a způsobit infekci.

Když výzkumníci přidali do kolonií molekuly podobné detergentům, známé jako povrchově aktivní látky, bakterie přestaly vyplachovat. Na rozdíl od toho povrchově aktivní látky neovlivnily rojení, koordinovanou formu pohybu poháněnou bičíky, která umožňuje bakteriím rychle se šířit přes vlhké povrchy. To naznačuje, že tyto dvě formy pohybu používají odlišné fyzikální mechanismy a že povrchově aktivní látky, které lze použít k selektivnímu potlačení (nebo posílení) pohybu bakterií v závislosti na tom, zda se hemží nebo rojí.

Skutečnost, že bakterie mohou kolonizovat povrchy, i když je jejich normální plavecký stroj narušen, má důležité důsledky pro lidské zdraví. Některé mikroby se mohou šířit pronikáním přes lékařské katétry, implantáty a nemocniční zařízení. Samotné blokování bičíků k jejich zastavení nemusí stačit. Místo toho možná budeme muset zasahovat do chemických procesů, které používají k pohonu tohoto pohybu.

Jak E. coli, tak salmonela mohou způsobit alimentární onemocnění. Vědomí, že se mohou šířit po površích prostřednictvím pasivních toků tekutin, může pomoci zlepšit způsob, jakým závody na zpracování potravin navrhují čisticí protokoly. A protože swashing závisí na fermentaci a kyselých vedlejších produktech, strategie, které mění povrchové pH nebo dostupnost cukru, by mohly snížit bakteriální kolonizaci. Studie ukázala, že jednoduché změny kyselosti stačily ke změně pohybu bakterií.

Něco podobného se může vyskytnout i uvnitř těla, kde vlhké povrchy jako střevní hlen, tekutiny z ran nebo močové cesty vytvářejí příznivé podmínky pro bakterie. V těchto místech by se bakterie mohly používat k šíření, i když jejich bičíky nefungují dobře.

Posunovací strategie

Ve druhé studii se odpovídající autor Abhishek Shrivastava a jeho kolegové zabývali typem bakterií známým jako flavobakterie. Na rozdíl od E. coli tyto bakterie neplavou; spíše se pohybují po povrchech spojených s prostředím a hostiteli pomocí stroje zvaného sekreční systém typu 9 nebo T9SS, který pohání molekulární dopravníkový pás.

Normálně T9SS pomáhá těmto bakteriím klouzat po povrchu. Dělá to tak, že pohybuje pásem potaženým lepidlem kolem těla buňky a táhne bakterii dopředu jako mikroskopický sněžný skútr. Výzkumníci zjistili, že protein dopravníkového pásu zvaný GldJ funguje jako řadicí páka, která řídí směr tohoto rotačního motoru.

Pokud je odstraněna malá část GldJ, motor se otočí z proti směru hodinových ručiček do směru hodinových ručiček, čímž se změní pohyb bakterií. Studie podrobně popisuje tuto molekulární převodovku a ukazuje, jak umožňuje bakteriím doladit směr jejich pohybu, což jim dává evoluční výhodu při navigaci ve složitých prostředích.

Kromě umožnění pohybu bakterií má T9SS také významné důsledky pro lidské zdraví – plní jak škodlivé, tak prospěšné role v závislosti na mikrobiální komunitě. V lidském orálu mikrobiomBakterie obsahující T9SS jsou spojeny s onemocněním dásní, kde podporují jejich vylučované proteiny zánět v ústech a mozku, což přispívá k poruchám, jako jsou srdeční choroby a Alzheimerova choroba. Naopak ve střevním mikrobiomu mohou proteiny vylučované T9SS chránit protilátky před degradací, a tím posílit imunitu a zlepšit účinnost orální vakcíny.

Pochopení toho, jak tato převodovka funguje, by mohlo vědcům pomoci navrhnout způsoby, jak zabránit bakteriím ve vytváření slizkých bakteriálních komunit známých jako biofilmy, způsobujících infekce a kontaminaci lékařských zařízení, ale také využít její prospěšné vlastnosti k podpoře zdraví a vývoji cílených mikrobiomových terapií.

„Jsme velmi nadšeni, že jsme objevili mimořádný dvourolový nanopřevodový systém, který integruje mechanismus zpětné vazby, odhaluje ovladatelný biologický sněžný skútr a ukazuje, jak bakterie přesně vyladí pohyblivost a sekreci v dynamických prostředích,“ říká Shrivastava. „Na základě tohoto průlomu se nyní zaměřujeme na určení struktur tohoto pozoruhodného molekulárního dopravníku s vysokým rozlišením, abychom s atomovou přesností vizualizovali, jak se jeho pohyblivé části propojují, přenášejí sílu a reagují na mechanickou zpětnou vazbu. Rozluštění tohoto složitého designu nejen prohloubí naše chápání mikrobiální evoluce, ale také inspiruje k vývoji bioinženýrských nanostrojů a terapeutických technologií nové generace.“

Shrivastava je výzkumným pracovníkem Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, Biodesign Center for Mechanisms of Evolution a odborným asistentem na ASU’s School of Life Sciences. Výzkum se objevuje v časopise mBio.

Na první pohled se tyto dva objevy – fluidní surfování a molekulární řazení, zdají být světy od sebe. Ale sdílejí společné téma: bakterie se vyvinuly mnoha překvapivými způsoby šíření. Čím více strategií mají bakterie, tím těžší je je zadržet.

Nové poznatky také podtrhují potřebu nového myšlení v boji proti bakteriálním onemocněním. Mnoho tradičních přístupů se často zaměřovalo na zacílení na bičíky. Ale jak tyto studie ukazují, bakterie mohou toto omezení obejít.

Výzkum naznačuje, že kontrola bakteriálního prostředí, včetně faktorů, jako je hladina cukru, pH a povrchová chemie, může být stejně důležitá jako zacílení na bakteriální geny. A narušení klíčových molekulárních strojů, jako je převodovka T9SS, by mohlo zabránit bakteriím nejen v pohybu, ale také ve vylučování proteinů, které je činí nebezpečnými.