Бактерии используют собственные отходы для передвижения

Новости МирТесен

Исследователи выявили новый, доселе неизвестный механизм перемещения бактерий по поверхностям, не требующий использования жгутиков. Бактерии, расположенные на границе колонии, расщепляют сахара, производят метаболиты и генерируют осмотическое давление. Это давление вызывает микроскопические колебания, которые служат для продвижения бактерий вперед.

В жидкой среде бактерии перемещаются, вращая жгутики. Однако они способны к движению и по сухим поверхностям. Так, например, они могут использовать пили – это выросты на мембране, которые захватываются за основу и перемещают бактерию. Или же с помощью белков, которые прикрепляются к основе и обеспечивают скольжение бактерии, подобно движению на гусеницах. Механизмы перемещения бактерий по твердым поверхностям изучены не полностью.

Авторы исследования, опубликованного в издании Journal of Bacteriology, изучали роение бактерий. Роением называют такое их поведение, при котором колония медленно расползается по поверхности питательной среды. Механизм этого расползания ясен не до конца. Вероятно, бактерии используют вращение жгутиков? Может, еще какие-то механизмы?

Исследователи деактивировали гены, отвечающие за создание жгутиков у сальмонелл и кишечной палочки, чтобы изучить особенности их роевого поведения. Для проведения эксперимента микробиологи разместили бактерии на сухих агаровых пластинах. Предполагалось, что лишенные жгутиков бактерии не смогут перемещаться.

Бактерии активно размножались. Исследователям необходимо было найти объяснение этому явлению. Не исключено, что бактерии вырабатывали поверхностно-активные вещества, которые смазывали среду и позволяли им скользить. Для проверки этой гипотезы в чашки Петри добавили ПАВ Tween-80, рассчитывая, что колонии начнут распространяться еще интенсивнее.

Бактериальная колония практически остановилась в росте. Это указывает на то, что поверхностно-активные вещества не только не способствуют распространению, но и препятствуют ему. В связи с этим исследователи обратили внимание на еще один аспект: рост наблюдался исключительно в среде, содержащей сахар, например глюкозу. Это подтолкнуло их к предположению о том, что причиной может быть не сам процесс распространения, а источник питания. Более конкретно, речь идет о продуктах, образующихся в результате метаболизма. Согласно новой гипотезе, именно эти соединения и стимулируют продвижение колонии.

Прежде всего, было проведено тестирование различных сахаров. Активность наблюдалась лишь в отношении тех, которые способны к сбраживанию микроорганизмами. После этого в питательную среду включили pH-индикатор, который изменяет окраску в кислой среде. Распространяющаяся колония оставляла за собой заметный желтый кислотный след, что являлось прямым свидетельством ферментации. Результаты анализа выявили наличие ацетата и формиата (солей уксусной и муравьиной кислот) — продуктов метаболизма сахаров.

Поскольку ферментация является движущей силой, ее подавление должно остановить распространение. С помощью методов генной инженерии ученые деактивировали у бактерий важный ген, отвечающий за этот процесс. Полученные результаты оказались однозначными: движение было остановлено.

Как ферментация обеспечивает движение колонии? Продукты брожения, а именно соли, накапливаются по краю колонии, формируя высокое осмотическое давление и извлекают воду из желеобразной питательной среды. Исследователи считают, что этот приток воды должен создавать на переднем крае колонии микроскопическую волну, которая и продвигает бактерии вперед.

Для визуализации этой структуры использовали оптическую профилометрию — технологию, позволяющую получить трехмерное представление о рельефе поверхности. В результате исследователи зафиксировали её. На переднем крае колонии отчетливо выделялась водяная волна высотой примерно 60 микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.

Бактерии используют сахара в качестве источника питания, в процессе чего они выделяют солевые метаболиты. Эти соли поглощают воду из окружающей среды. Образующаяся таким образом волна появляется по краю колонии, и бактерии распространяются по ней, уходя все дальше. Таким образом, бактерии перемещаются, используя волну, которую они сами и создают. Ученые дали этому процессу название «свошинг», что можно интерпретировать как «накат» или «заплеск» — явление, похожее на разбивающуюся волну прибоя, набегающую на берег.

Распространение бактерий по поверхностям играет важную роль в формировании биопленок на катетерах, имплантах и в ранах. Обычно применяемые методы, направленные на предотвращение распространения бактериальных колоний, часто фокусируются на блокировании функции жгутиков. Однако, согласно последним исследованиям, даже при отсутствии жгутиков у бактерий существует альтернативный, физический механизм колонизации поверхностей. Этот факт следует принимать во внимание при создании инновационных подходов к профилактике инфекций.