Biologer opdager bakterier, der føles følsomme

En undersøgelse ledet af forskere ved Indiana University, offentliggjort 26. oktober i tidsskriftet Videnskab , rapporterer en ny metode til at bestemme, hvordan bakterier fornemmer kontakt med overflader, en handling, der udløser dannelsen af ​​biofilm - flercellede strukturer, der forårsager store sundhedsproblemer hos mennesker og truer kritisk infrastruktur, såsom vand- og kloaksystemer.

Det anslås, at biofilm bidrager til omkring 65 procent af menneskelige infektioner og forårsager milliarder i medicinske omkostninger hvert år. De spillede berygtet en rolle i usikre koliforme niveauer i vandforsyningen til 21 millioner amerikanere i begyndelsen af ​​1990'erne og, for nylig, sandsynligvis spillet en rolle i flere udbrud af Legionnaires sygdom i Flint, Michigan. De bidrager også regelmæssigt til globale koleraudbrud.

Biofilm forårsager alvorlig skade i industrien, herunder tilstopning af vandfiltreringssystemer eller bremse fragtskibe ved at "biofoule" køretøjernes skrog koster anslået 200 milliarder dollar om året alene i USA. Der er også gavnlige biofilm, såsom dem, der hjælper fordøjelsen eller hjælper med at nedbryde organisk materiale i miljøet.

Forskerne, ledet af IU Distinguished Professor in Biology Yves Brun, opdagede den måde, bakterier opdager og klæber til overflader. Forskerne opdagede også en metode til at narre bakterier til at tro, at de føler en overflade.

Teamet viste, at bakterier bruger ultratynde hårlignende vedhæng kaldet pili, der strækker sig fra cellen og trækker sig dynamisk tilbage for at mærke og klæbe til overflader og i sidste ende producere biofilm. Pili stopper med at bevæge sig efter at have registreret en overflade, hvorefter bakterierne begynder at producere et ekstremt klæbrigt stof, eller "bioklæbende, "der driver fastgørelse til overflader og dannelse af biofilm.

At narre bakterierne til at fornemme en overflade, Bruns team knyttet et stort maleimidmolekyle til pili for effektivt at blokere de hårlignende strukturers bevægelse.

"Det er som at prøve at trække et reb med en knude i midten gennem et hul - maleimidmolekylet kan ikke passere gennem det hul, cellen bruger til at forlænge og trække pili tilbage, "sagde Courtney Ellison, undersøgelsens hovedforfatter og en ph.d. studerende i Bruns laboratorium.

"Disse resultater fortalte os, at bakterierne fornemmer overfladen, som hvordan en fisker ved, at deres snor sidder fast under vand, "Tilføjede Brun." Det er først, når de triller i linjen, at de mærker en spænding, som fortæller dem, at deres linje er fanget. Bakterienes pili er deres fiskelinjer. "

Opdagelsen er mulig på grund af teamets nye metode til at observere, hvordan bakterier bruger pili til at sprede biofilm. De gennemførte denne observation med fagmæssigt leverede florescensfarvestoffer - leveret på bagsiden af ​​mindre maleimidmolekyler - der afslørede bevægelsen af ​​disse mikroskopiske "lemmer".

"Ved at bruge fluorescerende farvestoffer til at mærke disse mikroskopiske strukturer, vi er i stand til at producere billeder, der viser det første direkte bevis på den rolle, pili spiller for at detektere overflader, "Sagde Brun.

For at observere bevægelsen af ​​pili, IU -teamet måtte overvinde en udfordring:hvordan man visualiserer de ekstremt tynde strukturer og deres bevægelse. De gjorde dette ved at erstatte en enkelt aminosyre i kæden af ​​aminosyrer, der omfatter pili med en anden aminosyre kaldet en cystein. Maleimidet, som leverede de fluorescerende farvestoffer til pili -proteinerne, binder sig til cystein. Maleimidet er også det molekyle, der bruges til at levere det store molekyle til cystein i pili -proteinet for fysisk at blokere pili -bevægelsen.

"Det er som at tænde et lys i et mørkt rum, "Sagde Ellison." Pili er sammensat af tusindvis af proteinunderenheder kaldet pilins, med hvert protein i kæden sammensat af aminosyrer arrangeret som et sammenfiltret rod af udbrændte julelys. Udskiftning af et enkelt lys kan belyse hele strengen. "

Det var en stor udfordring at konstruere et cysteinmolekyle, der kunne erstatte en aminosyre i pilinerne uden at påvirke pili's overordnede adfærd, tilføjede hun. Bakterierne, der blev brugt i forsøget, var Caulobacter crescentus, en bakterie, der almindeligvis bruges i laboratorieforsøg.

"Vi brugte også denne metode i denne undersøgelse til at visualisere de tre typer pili produceret af Vibrio cholerae, en bakterie, der forårsager kolera, "sagde studieforfatter Ankur Dalia, en IU adjunkt i biologi. "Pili er kritisk for mange aspekter af Vibrios virulens, og vi bruger nu dette kraftfulde værktøj til at forstå, hvordan de bruger dem. "

Næste, Brun og kolleger håber at opklare præcise mekanismer, der forbinder pili -bevægelse og bioadhæsiv produktion, da de to processer ser ud til at være relaterede, men forbindelsens nøjagtige karakter er stadig ukendt.

"Jo mere vi forstår om mekanikken ved pili i dannelse af biofilm og virulens, jo mere vi kan manipulere processen for at forhindre skade på mennesker og ejendom, "Sagde Brun.