Foto: Jason Drees/ASU

Úvod do nových objevů

Vědci z Arizona State University objevili překvapivé nové způsoby, jak se bakterie mohou pohybovat, i když nemají své obvyklé bičíkaté vrtulky zvané flagely. V jedné studii bylo zjištěno, že bakterie E. coli a salmonela se mohou šířit po vlhkých površích fermentací cukrů a vytvářením drobných tekutých proudů, které je nesou vpřed — tento nově identifikovaný jev vědci nazvali „swashing“.

Autor původního článku: redakce

Mechanismy bakteriálního pohybu

Bakterie se mohou efektivně pohybovat i bez svých bičíkatých flagel — „swashing“ po vlhkých površích pomocí chemických proudů nebo klouzáním po vestavěném molekulárním dopravním pásu. Nový výzkum z Arizona State University ukazuje, že bakterie se mohou pohybovat nečekanými způsoby, i když jejich obvyklý pohonný systém selže. Pohyb je pro bakterie klíčový. Umožňuje jim shromažďovat se do komunit, zkoumat nová prostředí a unikat škodlivým podmínkám. Pochopení toho, jak se bakterie pohybují, může pomoci vědcům navrhnout lepší strategie pro prevenci infekcí.

Swashing: Nový způsob pohybu

V první studii výzkumník Navish Wadhwa a jeho tým zjistili, že salmonela a E. coli mohou migrovat po vlhkých površích, i když jejich flagely jsou deaktivovány. Bakterie generují pohyb prostřednictvím svého metabolismu. Když fermentují cukry, vytvářejí drobné proudy, které pomalu tlačí bakteriální kolonii ven, podobně jako listy unášené tenkým proudem. Výzkumníci tento nově identifikovaný pohyb nazvali „swashing“. Tento objev by mohl pomoci vysvětlit, jak se patogenní mikroby dokážou kolonizovat na lékařských zařízeních, ranách a potravinářských zařízeních. Pochopením toho, jak bakteriální metabolismus pohání tento typ pohybu, by vědci mohli zpomalit nebo zastavit jeho šíření změnou podmínek prostředí, jako je pH nebo hladina cukru.

„Byli jsme ohromeni schopností těchto bakterií migrovat po površích bez funkčních flagel. Naši spolupracovníci původně navrhli tento experiment jako ‚negativní kontrolu‘, což znamená, že jsme očekávali, že bez flagel se buňky nebudou pohybovat,“ říká Wadhwa. „Ale bakterie migrovaly bez zábran, jako by se nic nestalo, což nás vedlo k několikaletému úsilí pochopit, jak to dělají.“

Swashing poháněné cukrem

Efekt swashingu začíná, když bakterie konzumují fermentovatelné cukry, jako je glukóza, maltóza nebo xyloza. Během fermentace mikroby uvolňují kyselé vedlejší produkty včetně acetátu a formiátu. Tyto sloučeniny přitahují vodu směrem ke kolonii z okolního povrchu, vytvářejí drobné proudy, které tlačí buňky ven. Fermentovatelné cukry jsou pro tento pohyb nezbytné. Bez nich bakterie nemohou produkovat tekuté proudy potřebné pro swashing. Prostředí bohatá na cukr uvnitř těla, jako je hlen, by proto mohla usnadnit šíření škodlivých bakterií a vyvolat infekce.

Vědci také testovali, co se stane, když se do kolonií přidají surfaktanty, molekuly podobné detergentům. Tyto sloučeniny swashing zcela zastavily. Nicméně stejné chemikálie nezasahovaly do swarming, jiného typu bakteriálního pohybu poháněného flagelami, který umožňuje mikrobům rychle se šířit po vlhkých površích. Tento rozdíl naznačuje, že oba chování se spoléhají na odlišné fyzikální mechanismy. Také to naznačuje, že surfaktanty by mohly být jednou použity ke kontrole bakteriálního pohybu v závislosti na tom, zda mikroby swashují nebo swarmují.

Vliv na zdraví a výzkum mikrobiomu

Objev, že bakterie mohou kolonizovat povrchy, i když jejich normální plavecké stroje selžou, má důležité zdravotní důsledky. Některé mikroby by se mohly šířit po lékařských katetrech, implantátech nebo nemocničním vybavení prostřednictvím swashingu. Jednoduše blokování flagel nemusí zabránit tomu šíření. Místo toho by léčba mohla cílit na metabolické procesy, které pohánějí tekuté proudy.

E. coli a salmonela jsou dobře známé příčiny potravinových onemocnění. Uvědomění si, že tyto bakterie se mohou šířit prostřednictvím pasivních tekutých proudů, může pomoci zlepšit hygienické strategie v potravinářských zařízeních. Protože swashing závisí na fermentaci a kyselých vedlejších produktech, změna faktorů, jako je povrchové pH nebo hladina cukru, by mohla omezit růst bakterií. Studie zjistila, že i mírné změny kyselosti mohou ovlivnit, jak se bakterie pohybují. Podobné podmínky mohou také existovat uvnitř lidského těla. Vlhká prostředí, jako je střevní hlen, tekutiny z ran nebo močový trakt, poskytují povrchy, kde by se bakterie mohly šířit prostřednictvím swashingu, i když jejich flagely nefungují efektivně.

Molekulární převodový systém pro pohyb bakterií

Druhá studie zkoumala jinou skupinu mikrobů zvanou flavobakterie. Na rozdíl od E. coli tyto bakterie neplavou. Místo toho se pohybují po površích prostředí a hostitelů pomocí specializovaného stroje známého jako typ 9 sekreční systém, nebo T9SS. Tento systém pohání molekulární dopravní pás, který se pohybuje po povrchu buňky. Za normálních podmínek umožňuje T9SS flavobakteriím klouzat po površích. Mechanismus funguje tak, že pohybuje lepidlem potaženým pásem kolem vnější strany buňky, táhne bakterii vpřed pohybem, který připomíná mikroskopický sněžný skútr.

Výzkumníci zjistili, že protein v tomto systému, zvaný GldJ, funguje jako druh převodovky, která řídí směr motoru. Když se odstraní malá část GldJ, motor změní svou rotaci z proti směru hodinových ručiček na ve směru hodinových ručiček. Tato změna mění směr pohybu bakterie. Studie podrobně popisuje tento molekulární převodový mechanismus a ukazuje, jak umožňuje bakteriím přizpůsobit svůj pohyb v reakci na složitá prostředí. Tato schopnost může poskytnout evoluční výhodu tím, že pomáhá mikrobům efektivněji navigovat po površích.

Implications for Human Health and Microbiome Research

T9SS systém ovlivňuje více než jen pohyb bakterií. Může také ovlivnit lidské zdraví různými způsoby v závislosti na zapojené mikrobiální komunitě. V ústní mikrobiomě byly bakterie obsahující T9SS systém spojeny s onemocněním dásní. Proteiny, které uvolňují, mohou vyvolat zánět v ústech a mohou také přispět k podmínkám, jako jsou srdeční choroby a Alzheimerova choroba. Naopak, aktivita T9SS v střevní mikrobiomě může být prospěšná. Proteiny vylučované tímto systémem mohou chránit protilátky před rozkladem, což posiluje imunitní obranu a může zlepšit účinnost orálních vakcín.

Pochopení toho, jak tento molekulární převodový systém funguje, by mohlo pomoci výzkumníkům vyvinout způsoby, jak zabránit bakteriím v tvorbě biofilmů, slizkých komunit, které způsobují infekce a kontaminují lékařská zařízení. Současně by vědci mohli využít tyto mechanismy k podpoře prospěšných mikrobů a navrhnout cílené terapie mikrobiomu.

„Jsme velmi nadšeni, že jsme objevili mimořádný nanogear systém s dvojí rolí, který integruje zpětnovazební mechanismus, odhaluje kontrolovatelný biologický sněžný skútr a ukazuje, jak bakterie přesně ladí pohyblivost a sekreci v dynamických prostředích,“ říká Shrivastava. „Na základě tohoto průlomu nyní usilujeme o určení vysoce rozlišených struktur tohoto pozoruhodného molekulárního dopravníku, abychom vizualizovali, s atomovou přesností, jak jeho pohyblivé části zapadají, přenášejí sílu a reagují na mechanickou zpětnou vazbu. Rozluštění tohoto složitého designu nejen prohloubí naše chápání mikrobiální evoluce, ale také inspiruje vývoj nové generace bioinženýrských nanostrojů a terapeutických technologií.“

Shrivastava je výzkumník v Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, Biodesign Center for Mechanisms of Evolution a asistent profesor na ASU’s School of Life Sciences. Zjištění se objevují v časopise mBio.

Více strategií pro šíření bakterií

Na první pohled se oba objevy — surfování na tekutinách a molekulární převodový systém, zdají být světy od sebe. Nicméně oba zdůrazňují, jak bakterie vyvinuly řadu nečekaných strategií pro pohyb a šíření. Čím více možností pohybu mikroby mají, tím těžší je je kontrolovat. Tato zjištění také naznačují, že mohou být potřeba nové přístupy k boji proti bakteriálním infekcím. Mnoho tradičních strategií se zaměřuje na deaktivaci flagel. Ale tyto studie ukazují, že bakterie mohou pokračovat ve šíření i bez nich.

Výzkum poukazuje na důležitost kontroly prostředí, ve kterém bakterie žijí. Faktory jako dostupnost cukru, úrovně pH a chemie povrchu by mohly hrát hlavní roli v omezení bakteriálního pohybu. Zasahování do molekulárních systémů, jako je převodovka T9SS, by také mohlo zabránit bakteriím v pohybu a uvolňování škodlivých proteinů, které přispívají k nemocem.