Teadlased uurivad esmakordselt, kuidas bakterid moodustavad sileda biofilmi kindluse

Our Miss Brooks: Connie's New Job Offer / Heat Wave / English Test / Weekend at Crystal Lake (Juuli 2019).

Anonim

Princetoni teadlased on esimest korda avastanud mehaanika, kuidas bakterid genereerivad libisevaid masse, mida nimetatakse biofilmideks, rakkudeks rakkudeks. Kui inimkehasse on biofilme, on bakterid antibiootikumide suhtes tuhandeid kordi vähem vastuvõtlikud, tekitades teatud infektsioone, nagu kopsupõletik, raskesti ravitav ja potentsiaalselt surmav.

Teaduste Akadeemias toimunud 6. septembril avaldatud uuringus jälgis Princetoni meeskond ühtki bakteriraku, kui see kasvas küpseks bioekvivalendiks 10000 järjestatud arhitektuuriga rakuga. Tulemused peaksid aitama teadlastel rohkem teada saada bakteriaalse käitumise kohta ja avastama uusi viise, kuidas biofilme rünnata ravimitega.

"Keegi pole kunagi näinud elus biofilmi sisse ja vaatasin, kuidas see rakku raku poolt luuakse, " ütles Bonni Bassler, raamatu vanemautor ja Princetoni molekulaarbioloogia professor Squibb ja Howard Hughesi meditsiiniinstituudi uurija. "Käesoleva dokumendi abil saame nüüd esmakordselt mõista, kuidas bakterite kogukonnad moodustavad biofilmi."

Avastus sai võimalikuks tänu spetsiaalsele mikroskoopia meetodile, mille Printsetonis alustas endine doktorikraadi teadur Knut Drescher, mis võimaldas üksikute rakkude kuvamist, võimaldades teadlastel reaalajas jälgida põnevat biofilmi.

"Oleme kasutanud kaasaegset tehnikat, et näha elava, kasvava biofilmi südamikku, " ütles uue uurimuse juhtiv kirjanik doktorant Jing Yan. Koos Bassleri labori liikmeskonnaga kuulub Yan kontserni Complex Fluids Group, mida juhivad Princetoni juhtivad kaasautorid Howard Stone, Donald R. Dixon '69 ja Princetoni mehaanika- ja kosmosetööstuse professor Elizabeth W. Dixon. Yanit soovitab ka paberijuhitaja Ned Wingreen, Howard A., endine eluteaduste professor ja Princetoni integreeriva genoomika instituudi Lewis-Sigleri tegevdirektor.

"Selle raamatu koostanud uuringud asuvad materjalinimete, inseneriteaduse, füüsika ja bioloogia piiridel ning esindavad suurepärast koostööd Princetoni ülikoolis, " ütles Bassler.

Viies kaasautor koos Yan, Bassler, Stone ja Wingreen on Princetoni füüsika osakonna endine üliõpilane Andrew Sharo ja nüüd Californias Berkeley ülikool.

Teadlased valisid Vibrio cholerae oma modifitseeritud biofilmi organismide tõttu, kuna see oli pikaajalise uuringu ajalugu ja inimeste tervisele ohtlik, põhjustades kõhulahtisuse haiguse koolera. Kumerkõvilise tõukujulise bakteri V. cholerae elab vabas ujumisrajana riimvees või soolases vees. Kui V. cholerae puutub kokku haiguse ajal toidu osakesega, võib-olla krabilõigu või kreveti või inimese seedetrakti koorega, siis seob bakter ise ja hakkab paljunema. Laienevad koloonia liikmed eraldavad liimiga sarnast ainet, et hoida ära pestud ja kaitsta endid konkureerivatest bakteritest.

Varasemad jõupingutused, mis aitasid uurida, kuidas rakud kasvava biofilmi interaktsioonis olid ebaõnnestunud ebapiisava optilise lahutusvõime tõttu; Põhimõtteliselt ei suutnud üksteist läbida läbipaistmatu massi oma naabritega.

Princetoni teadlased on seda probleemi lahendanud mitmel viisil. Esiteks muutsid nad bakteritüve geneetiliselt nii, et rakud toodavad valke, mis säravad eredalt, kui neid valgustatakse konkreetsete valguse värvidega. Valitud valgud pakuvad kõige optimaalsemat fluorestsentsi, muutes iga rakuliini lihtsamaks, vähendades samal ajal katse jaoks vajaliku potentsiaalselt kahjustava valguse intensiivsust.

Seejärel kasutas meeskond konfokaalmikroskoopi, seade, mis keskendub kindlale kaugusele näidise ühe osaga. Tehides sadu selliseid vaatlusi, saab pilte kokku panna, et luua kogu proovi kolmemõõtmeline kujutis. "See on nagu vaadates sügavale interjööri biofilmi, ilma et tükeldada see avatud, " ütles Yan.

Teadusuuringute meeskonna teine ​​jõud oli pärit algselt välja töötatud arvutialgoritmide väljatöötamisest sellistes valdkondades nagu materjaliteadused. Algoritmid diferentseerivad tihedalt klastreeritud valgusallikaid, sel juhul paljude bunched-up V. cholerae rakkude paksendamisel biofilm.

Princetoni meeskonna nägemus oli märkimisväärne. Esmalt laienes bakterikoloonid eksperimendi antud pinnale horisontaalselt. Nagu iga rakk lagundati, moodustasid saadud tütarrakud kindlalt pinna kõrvuti nende vanemrakkudega. Kuid paljude järglaste bakterite survestatud oli aga laieneva koloonia südamega rakud sunnitud pinnast eemalduma ja paiknema vertikaalselt. Seega läks bakterikoloonium lamedast kahemõõtmelisest massist laieneva, kolmemõõtmelise lööbini, mida kõik koostavad gunkid arenevas biofilmis.

Princetoni meeskond süvendas selle rakulise käitumise taga olevat geneetikat. Ühtne geen, mille nimi on RbmA, on käitumise võti, kus uued rakud ühendavad sellisel viisil kolmemõõtmelise biofilmi. Kui teadlased deaktiveerisid geeni, tekkis suur, difuusne ja floppiline biofilm. Kuid kui RbmA täideti normaalselt, siis tekkis tihedam, tugevam biofilm, kuna rakud jäid üksteisega seotud. Seega annab RbmA bioplaadile oma vastupanuvõime, pakkudes ülevaadet potentsiaalsest Achilleuse kandust, mis võiks olla suunatud terapeutilisele sekkumisele.

Käimasolev töö mõõdab nüüd biokile keskuses tõusnud rakkude füüsilisi jõude, nii et üldine mehaanika saab täpselt välja töötada. "Praegu püüame välja töötada matemaatilise mudeli selle kohta, kuidas bakteriaalne koloonia aja jooksul kasvab ja kuidas ruumilised omadused on seotud biofilmi tüüpiliste mehaaniliste omadustega, " ütles Stone.

Samuti kavatsevad teadlased rakendada oma uut mikroskoopiatehnikat, et uurida teisi biofilme moodustavaid baktereid inimese haiguse tagajärjel. Üks näide: pseudomonas aeruginosa, surmava kopsuinfektsiooni peamine põhjus tsüstilise fibroosiga inimestele. Teine patogeen on Staphylococcus aureus, mida tavaliselt nimetatakse stafiks. Huvitav on see, et nende kahe bakteri bioloogiliste filmide valmistamise mehhanism peaks V. cholerae'ist erinema. Kuigi P. aeruginosa rakud on vardakujulised nagu V. cholerae, on neil väljaulatuvad osad, mis aitavad neil läbi pindade indekseerida. Vahepeal on stafüeliinid sfäärilised, seega ei saa nende postidega ühendada.

Tehnikaülesanded, mida Yan ja tema kolleegid võtsid kasutusele, võiksid aidata meditsiinitöötajatel õppida ravimi efektiivsust sama bakteriaalse biofilmi geneetiliselt erineva liikmega ja erinevate arhitektuuride biofilmidega. Edasine töö võib näidata, kuidas kaitsekile paremini murda, nii et antibiootikumid suudaksid tungida ja hävitada haigusetekitajad.

Projekti toetust osutasid osaliselt National Science Foundation, Howard Hughesi meditsiiniline instituut ja riiklikud tervishoiuinstituudid.

"See paber avab meile maailma, mida kunagi varem ei olnud võimalik juurde pääseda: biofilmide sees, " ütles Bassler. "Loodan, et biotekstitega tegelevad teised teadlased tahavad seda tehnoloogiat kasutada, et kiiresti edasi liikuda."

menu
menu