Naučnici sa Kalteha i Univerziteta Prinston otkrili su da bakterijske ćelije koje rastu u rastvoru polimera, kao što je sluz, formiraju dugačke kablove koji se kopčaju i uvijaju jedan na drugom, gradeći neku vrstu „živog želea“.
Ovaj nalaz bi mogao biti posebno važan za proučavanje i lečenje bolesti kao što je cistična fibroza, u kojoj sluz koja oblaže pluća postaje više koncentrisana, često uzrokujući da bakterijske infekcije koje se zadržavaju u toj sluzi postanu opasne po život. Ovo otkriće bi takođe moglo imati implikacije u studijama konglomerata bakterija koje luče polimere poznate kao biofilmi – na primer, klizava gljivica na rečnim stenama – i u industrijskim primenama gde mogu da izazovu kvar opreme i opasnosti po zdravlje.
Rad je opisan u radu objavljenom 17. januara u časopisu Science Advances.
„Otkrili smo da kada mnoge bakterije rastu u tečnostima koje sadrže molekule slične špagetima koje se nazivaju polimeri, kao što je sluz u plućima, one formiraju strukture nalik na kablove koje se prepliću poput živih gelova“, kaže Sujit Datta, profesor hemijskog inženjerstva, bioinženjering i biofizika na Caltech-u i odgovarajući autor novog rada. „I, zanimljivo, postoje sličnosti između fizike kako se ove strukture formiraju i mikroskopske fizike koja leži u osnovi mnogih neživih gelova, poput Purell-a ili Jell-O-a.“
Datta se nedavno preselila u Caltech sa Univerziteta Princeton. Jedan od njegovih postdiplomaca na Prinstonu, Sebastijan Gonzales La Korte, glavni je autor rada. On i Data su bili zainteresovani za to kako se koncentracija sluzi menja u plućima i crevima pacijenata sa cističnom fibrozom — kod kojih je prisutno više polimera nego obično. Radeći sa uzorcima sluzi koje su dale kolege sa MIT-a, Gonzalez La Korte je uzgajao bakteriju E. coli (koja se obično koristi u laboratorijskim studijama) u običnim tečnostima i uzorcima sličnim cističkoj fibrozi, a zatim posmatrao uzorke pod mikroskopom da bi posmatrao kako bakterijske ćelije rastu. u svakom slučaju.
Fokusirao se na ćelije koje su izgubile sposobnost da plivaju, kao što je slučaj sa mnogim bakterijama u prirodi. U normalnim okolnostima, kada se takva ćelija podeli na dve, nastale ćelije se odvajaju i difunduju jedna od druge. Međutim, Gonzalez La Korte je otkrio da su u polimernom rastvoru kopirane ćelije ostale zalepljene jedna za drugu, s kraja na kraj.
„Kako ćelije nastavljaju da se dele i drže jedna za drugu, one počinju da formiraju ove prelepe dugačke strukture koje nazivamo kablovima“, kaže Gonzalez La Korte. „U nekom trenutku, oni se zapravo savijaju i savijaju jedni na druge i formiraju zapletenu mrežu.“
Tim je otkrio da kablovi nastavljaju da se izdužuju i rastu sve dok ćelije imaju hranljive materije koje su im potrebne, stvarajući na kraju lance duge hiljade ćelija.
Naknadni eksperimenti su pokazali da izgleda da nije važno koje bakterijske vrste su uvedene, niti vrsta rastvora organskog polimera pravi razliku; kada dovoljno polimera okruži bakterijske ćelije, kablovi rastu. Istraživači su čak videli isti rezultat sa bakterijama u sintetičkim polimerima.
Iako je početna motivacija za studiju bila bolje razumevanje rasta infekcija kod pacijenata sa cističnom fibrozom, nalazi su šire relevantni. Sluz igra važnu ulogu u ljudskom telu, ne samo u plućima, već iu crevima i cervikovaginalnom traktu. A Datta kaže da je rad takođe važan u kontekstu biofilma, grupa bakterija koje uzgajaju sopstvenu inkapsulirajuću polimernu matricu. U ljudskom telu postoje biofilmi, kao što je zubni plak, ali su takođe izuzetno česti u zemljištu i u industrijskim okruženjima, gde mogu da oštete opremu i izazovu zdravstvene opasnosti.
„Ta polimerna matrica koju su izlučili je ono što čini biofilmove tako teškim za uklanjanje sa površina i tretiranje antibioticima“, kaže Datta. „Razumevanje kako ćelije rastu u toj matrici moglo bi biti ključno za otkrivanje kako bolje kontrolisati biofilmove.“
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
Kroz pažljivo osmišljene eksperimente, tim je otkrio da je spoljni pritisak koji vrše polimeri koji okružuju ćelije koje se dele je ono što tera ćelije zajedno i drži ih na mestu. U fizici, takva privlačna sila koja je pod kontrolom spoljnog pritiska naziva se interakcija iscrpljivanja. Gonzales La Korte je koristio teoriju interakcije iscrpljivanja da stvori teorijski model rasta bakterijskog kabla. Model može predvideti kada će kabl preživeti i rasti u polimernom okruženju.
„Sada zapravo možemo da koristimo utvrđene teorije iz fizike polimera, koje su razvijene za potpuno različite stvari, u ovim biološkim sistemima da kvantitativno predvidimo kada će se ovi kablovi pojaviti“, kaže Datta.
„Otkrili smo ovaj zanimljiv, neobičan, veoma neočekivan fenomen“, kaže Datta. „Takođe možemo objasniti zašto se to dešava iz mehaničke, fizičke perspektive. Sada je pitanje: koje su biološke implikacije?“
Zanimljivo je da postoje dve mogućnosti: bakterije bi se mogle skupljati da bi formirale ovu mrežu živog gela u nastojanju da se učine većim i stoga težim ćelijama imuniteta da ih progutaju i unište. Alternativno, formiranje kabla može biti štetno za bakterije. Na kraju krajeva, izlučevine domaćina uzrokuju da bakterije izgrade kablove. „Sluz nije statična; na primer, u plućima je stalno hvataju male dlačice na površini pluća i pokreću se prema gore“, kaže Datta. „Da li je moguće da kada su sve bakterije skupljene u ovim kablovima, zapravo ih je lakše otarasiti se — izbaciti ih iz tela?“
Za sada niko ne zna koja je mogućnost ispravna, a Datta kaže da je to ono što ovaj projekat čini zanimljivim. „Sada kada smo otkrili ovaj fenomen, možemo postaviti ova nova pitanja i osmisliti dalje eksperimente kako bismo testirali naše sumnje“, kaže on.