Mnoge infekcije koje su rezistentne na lijekove posljedica su bakterijskih biofilmova, strukturiranih agregata bakterija koje žive na površinama i koje su izuzetno otporne na okolišne stresove.
Ovi biofilmovi utječu na ljudsko zdravlje na mnogo načina – cistična fibroza, na primjer, bolest je u kojoj pacijenti umiru od infekcija bakterijskim biofilmovima dišnih putova, a koje su otporne na čak najsnažnije antibiotike. Sada su UCLA istraživači i njihovi kolege otkrili da tijekom početne faze formiranja biofilma bakterije mogu zapravo uspravno stajati i “hodati”, kao dio njihove prilagodbe na površinu.
“Bakterija postoji u dva fiziološka stanja: slobodno plivajuće, jednostanično planktonsko stanje i u stanju površinski uređenog biofilma; guste, strukturirane zajednice stanica kojom upravljaju svojom vlastitim sociologijom”, rekao je Gerard Wong, profesor biotehnike na UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science te California NanoSystems Institute na UCLA-u. “Bakterije u biofilmovima se fenotipski razlikuju od slobodno plivajućih bakterija iako su genomski identične. Kao dio njihove prilagodbe na površinu i postojanje zajednice, različiti geni su aktivni ili isključeni u bakterija u biofilmovima, što dovodi do drastično drukčijeg ponašanja ” rekao je znanstvenik.
U istraživanju, koje se pojavljuje u trenutnom broju časopisa Science, Wong i njegova istraživačka grupa opisuju novu površinsku adaptaciju – mehanizam pokretnosti – “hodanje”, koji je promatran kod Pseudomonas aeruginosa, patogena koji formira biofilm koji je djelomično odgovoran za smrtonosne infekcije kod cistične fibroze. Ono što omogućava to uspravno hodanje su privjesci imena tip IV pili, koji funkcioniraju kao analozi nogama. Štoviše, hodanje omogućava P. aeruginosa da se kreće optimiziranim putanjama za istraživanje površine, kako bi se mogle učinkovitije hraniti. Uspravna orijentacija je za bakterije također i prvi korak u površinskoj nevezanosti.
“Mi smo pokazali da vertikalna orijentacija ima presudnu ulogu u ključnim događajima životnih ciklusa: okomito orijentirane bakterije mogu se lakše odvojiti od površina, što im dopušta da se učinkovitije šire i raspršuju”, rekla je Jacinta Conrad, bivša postdoktorska istraživačica iz Wongove grupe i profesorica asistentica kemijskog i biomolekularnog inženjerstva na University of Houston. “Naš jedinstveni doprinos je izravno povezivanje jednostaničnog ponašanja s određenim događajima u životnom ciklusu bakterija i time pokazivanje kako se s jednostanična pokretljivost utječe na morfologiju.”
Istraživački tim je bio u mogućnosti razviti niz mehanizama za pretraživanje i računalnih programa koji koriste algoritme za praćenje čestica kako bi kvantitativno analizirali vremensko odmicanje u mikroskopskim filmovima bakterijskog kretanja po površinama. “Prije toga, studenti su manualno morali gledati stanice i zatim mukotrpno ih pratiti od jednog okvira do sljedećeg”, kazao je Wong. “Naš nam računalni pristup omogućuje povećanje volumena podataka analiziranih 100.000 puta i obavljanje potrebnih analiza u samo nekoliko sati, a ne nekoliko mjeseci.
“Štoviše, dajemo smisao ovoj planini informacija koristeći se pristupima temeljenim na mehanizmima za traženje. Ovo predstavlja veliki napredak u načinu na koji koristimo mikroskope.” Rad je proveden u suradnji sa istraživačkom grupom na University of Notre Dame koju je vodio Joshua Shrout, profesor asistent na odjelu građevinarstva i geoloških znanosti te na Eck Institute for Global Health.
“Infekcije s P. aeruginosa su nažalost vodeći uzrok smrti osoba s cističnom fibrozom,” rekao je Shrout. “Osim ovih infekcija pluća, P. aeruginosa uzrokuje i infekcije kože i očiju te gastrointestinalne infekcije. Kad smo naučili kako P. aeruginosa kolonizira površinu, možda možemo i razviti bolje metode za liječenje tih infekcija. Jedan od najuzbudljivijih čimbenike ovog rada za mene je potencijal za posljedice velikog razmjera. “Formiranje biofilma je sveprisutno u ljudskom zdravlju, te također u raznim industrijskim promjenama. Obrastanje uslijed biofilma povećava hidrodinamički otpor na brodovima, što dovodi do povećanja potrošnje goriva, te također doprinosi povećanju troškova za pročišćavanje vode, nafte i preradu hrane . Kontrolirano formiranje biofilma omogućiti će nam tako da smanjimo probleme vezane uz obraštaj u industrijama širokih razmjera.”
Izvor: University of California — Los Angeles
