Scienty

Исследователи выявили ранее неизвестный механизм перемещения бактерий по поверхности, не требующий использования жгутиков. Расположенные на границе колонии микроорганизмы расщепляют сахара, выделяют метаболиты и формируют осмотическое давление. Это приводит к возникновению микроскопических волн, которые и обеспечивают скольжение бактерий вперед.

Фото: img.freepik.com

Бактерии перемещаются в жидкой среде, используя для этого вращающиеся жгутики. Однако они способны к движению и по сухим поверхностям. К примеру, они могут использовать пили – отростки мембраны, которые захватываются за основание и обеспечивают подтягивание бактерии. Или же с помощью белков, которые фиксируются на поверхности и позволяют бактерии перемещаться по ней, подобно движению на гусенице. Механизмы передвижения бактерий по твердым поверхностям исследованы 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, позволяя им скользить. Чтобы проверить эту гипотезу, в чашки Петри добавили ПАВ Tween-80, рассчитывая, что колонии начнут распространяться ещё интенсивнее.

Рост бактерий практически остановился. Это указывает на то, что поверхностно-активные вещества не только не оказывают положительного эффекта, но и препятствуют процессу. В связи с этим исследователи обратили внимание на другой аспект: распространение наблюдалось исключительно в среде, содержащей сахар, например глюкозу. Это предположение навело на мысль о том, что причиной может быть не само движение, а питание. Более точно, речь идет о продуктах, образующихся в процессе метаболизма. Согласно новой гипотезе, именно эти соединения способствуют продвижению колонии.

Прежде всего, была проведена проверка различных сахаров. Активность наблюдалась лишь в отношении тех, которые способны к сбраживанию бактериями. После этого в питательную среду внесли pH-индикатор, который изменяет цвет в кислой среде. Распространяющаяся колония оставляла за собой отчетливый желтый кислотный след, что являлось прямым свидетельством протекающей 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 расползание. Используя методы генной инженерии, исследователи дезактивировали у бактерий важный ген, отвечающий за этот процесс. Полученные данные были убедительными: движение было остановлено.

Как ферментация обеспечивает движение колонии? Продукты брожения, а именно соли, накапливаются на границе колонии, что приводит к созданию высокого осмотического давления и вытягиванию воды из гелеобразной питательной среды. Исследователи считают, что приток воды должен формировать 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 потребляют сахара и производят солевые метаболиты. Соли извлекают воду из питательной среды. Она формирует волну по краю колонии, и по этой волне бактерии распространяются дальше. Бактерии перемещаются по волне, которую они сами генерируют. Ученые дали этому явлению название «свошинг», которое можно интерпретировать как «накат» или «заплеск» — волна прибоя, набегающая на берег.

Распространение бактерий по поверхностям играет важную роль в формировании биопленок на катетерах, имплантах и в ранах. Обычно для предотвращения распространения бактериальных колоний используют методы, направленные на подавление активности жгутиков. Однако, согласно результатам нового исследования, даже при блокировке жгутиков бактерии обладают альтернативным, физическим способом колонизации поверхностей. Этот факт следует учитывать при создании новых стратегий для борьбы с распространением инфекций.