Биологи Колумбийского университета раскрыли механизм, с помощью которого бактериальные клетки в переполненных, лишенных кислорода средах получают доступ к кислороду для производства энергии, обеспечивающей выживание клетки. Открытие может объяснить, как некоторые бактерии, такие как Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), способны процветать в средах с низким содержанием кислорода, таких как биопленки, и устойчивы к антибиотикам..
П.aeruginosa биопленочные инфекции являются основной причиной смерти людей, страдающих муковисцидозом, генетическим заболеванием, поражающим легкие и пищеварительную систему», - сказал главный исследователь Ларс Дитрих, адъюнкт-профессор биологических наук. к выживанию и вирулентности P. aeruginosa и других бактерий, способных существовать в среде с недостатком кислорода, может помочь определить подходы к лечению многих из этих и других пациентов с ослабленным иммунитетом».
Исследование опубликовано 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 численности для формирования биопленки с тканеподобными свойствами, подобной каркасу, который служит для укрепления сообщества, делая его в 1000 раз более устойчивым к большинству антибиотиков..
Каждая отдельная клетка должна самостоятельно извлекать электроны из пищи, которые затем транспортируются вдоль клеточной мембраны, пока не достигнут молекулы кислорода. Энергия, высвобождаемая в ходе этого метаболического процесса, используется для поддержания жизни. Однако по мере того, как сообщества бактерий продолжают расти и образовывать биопленку, они могут стать перенаселенными, создавая среду, в которой каждой клетке приходится конкурировать за ограниченное количество питательных веществ и кислорода, чтобы выжить.
Исследования показали, что некоторые бактерии, в том числе P. aeruginosa, выработали различные стратегии, чтобы реагировать на условия с низким содержанием кислорода в биопленках и справляться с ними. Сообщества бактерий могут, например, изменить общую структуру биопленки так, чтобы отношение площади ее поверхности к объему было выше, и большая часть клеток внутри могла получить доступ к кислороду снаружи. P. aeruginosa может также производить молекулы, называемые феназинами, которые помогают переносить электроны изнутри наружу клетки и, в конечном счете, к кислороду, доступному на расстоянии. Другая стратегия заключается в создании альтернативных версий терминальных оксидаз, мембранных ферментов, передающих электроны кислороду, 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 роста P. aeruginosa, они в основном проводились в лабораторных условиях на хорошо насыщенных кислородом жидких культурах. Когда P. aeruginosa заражает настоящего хозяина, например человека, она часто образует биопленку и сталкивается с совершенно другими условиями.
При федеральном финансировании Национальных институтов здравоохранения и Национального научного фонда Дитрих, первый автор Жанен Джо и их коллеги решили лучше понять, важны ли специфические терминальные оксидазы для метаболизма P. aeruginosa в биопленочных сообществах. как феназины могут компенсировать низкий уровень кислорода и 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 и работает глубоко внутри биопленки, лишенной кислорода, и что в этих средах бактерия зависит от определенной части терминала цепи. оксидаза - белок под названием CcoN4 - для доступа к кислороду и нормального роста. Клетки, лишенные этого белка, не выживают так же, как клетки с ним, поэтому исследователи полагают, что CcoN4 способствует вирулентности бактерии. 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, обеспечивающий это, оставался научной загадкой.
«Эта бактерия является мастером в поиске различных стратегий 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 именно. Похоже, они поступают из цепи переноса электронов. Это важное открытие. Мы знаем, что бактериальные клетки по-разному метаболизма энергии в среде, богатой кислородом, но долгое время мы не могли понять, как они это делают, когда доступ кислорода затруднен."
Выводы могут иметь большое значение для лечения инфекций биопленки P. aeruginosa, поскольку понимание путей, которые способствуют выживанию и вирулентности P. aeruginosa, может помочь в подходах к лечению пациентов. Например, разработка методов лечения, блокирующих терминальные оксидазы, содержащие CcoN4, ослабила бы бактерию и ее способность вызывать инфекцию.
«Мы начинаем все больше и больше понимать, как клетки могут выживать в довольно ужасных условиях», - 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, все из Колумбийского университета.