Как бактерии ориентируются в окружающей среде
Клеточный хемотаксис, способность чувствовать химические градиенты и активно направлять движение вдоль них, играет центральную роль во многих важных процессах, включая заболевания, питание, половое размножение и развитие многоклеточных организмов.
Ученые из Университета Шеффилда обнаружили у бактерий новую сенсорную способность, которая может изменить методы лечения бактериальных инфекций. Ранее считалось, что бактерии слишком малы, чтобы напрямую ощущать разницу в концентрации химических веществ. Однако, вопреки сложившимся десятилетиями научным представлениям, новое исследование показало, что бактерии действительно могут непосредственно ощущать химическую среду по всей длине своего клеточного тела с беспрецедентной точностью.
Исследование, опубликованное недавно в журнале Nature Microbiology, является ключевым шагом на пути к разработке инновационных методов лечения, позволяющих манипулировать подвижностью бактерий для повышения эффективности антибиотиков. Объектом исследования стала бактерия Pseudomonas aeruginosa, которая внесена в список приоритетных патогенов ВОЗ из-за ее способности вызывать у людей инфекции с высокой антибиотикорезистентностью.
Старший автор исследования, Уильям Дарем объясняет: «В принципе, клетки могут понять, движутся они к источнику питательных веществ или удаляются от него, двумя разными способами. Клетки, использующие временное зондирование, измеряют изменения концентрации химических веществ во времени по мере их перемещения вдоль градиентов. В отличие от этого, клетки, использующие пространственное зондирование, непосредственно сравнивают концентрацию химического вещества в различных положениях вдоль тела клетки, независимо от ее движения. Эти два механизма не обязательно являются взаимоисключающими, в некоторых сложных системах передачи сигнала (например, в некоторых эукариотических клетках, которые перемещаются по поверхности с помощью амебоидного движения) они могут использоваться в комбинации для управления хемотаксисом. Бактерии используют эту информацию для перемещения по поверхности к источникам химических веществ с помощью крошечных хватательных крючков, называемых пилями».
С помощью сочетания инновационных микрофлюидных экспериментов и модифицированных штаммов P. aeruginosa, чьи подвижные системы были сконструированы таким образом, чтобы их можно было непосредственно визуализировать с помощью мощных микроскопов, исследователи проследили, как отдельные клетки реагируют на конкретные изменения концентраций питательных веществ. Они обнаружили, что эти клетки могут сравнивать концентрацию питательных веществ по длине своего клеточного тела - явление, получившее название «пространственное зондирование». «Эта работа переворачивает наше представление о том, как бактерии ориентируются и чувствуют окружающую среду. Она проливает новый свет на то, как бактерии могут направлять свою подвижность во время инфицирования человека и, возможно, как ею можно манипулировать с помощью различных клинических методов лечения», - отмечает Дарем.
Открытие означает, что бактериям не обязательно двигаться, чтобы чувствовать изменения в химическом окружении, и предполагает, что плотно располагающиеся бактерии при локализованных инфекциях могут использовать эту информацию для управления своим поведением. Эта способность поднимает новые вопросы о механизмах, которые бактерии используют для проведения этих микроскопических измерений, и о том, как ими можно манипулировать с помощью противомикробных препаратов.Таким образом, это исследование опровергает широко распространенное мнение о том, что бактериальные клетки слишком малы для прямого восприятия химических градиентов в пространстве.
«Как это часто бывает, ответ на один вопрос порождает целый ряд новых неизвестных. Уже запланированы новые интересные эксперименты, чтобы продолжить написание этой новой главы в нашем понимании того, как бактерии ориентируются в окружающей среде», - сказал Дарем.
