Исследователи кафедры биомедицинской инженерии имени Уоллеса Х. Коултера Технологического института Джорджии и Университета Эмори обнаружили нечто новое в одном из самых изученных организмов на Земле, и их открытия могут повлиять на лечение и профилактику разрушительных бактериальных заболеваний.

Кишечная палочка, или E. coli, пользуется дурной славой, и не зря. Эта разнообразная группа бактерий, живущих в нашем кишечнике, в основном безвредна и играет важную роль в поддержании здоровья пищеварительной системы. Но некоторые виды кишечной палочки относятся к числу наиболее вирулентных микроорганизмов, вызывающих заболевания.

Патогенная кишечная палочка наносит смертельный и дорогостоящий урон человечеству, ежегодно обходясь миллиардами долларов на лечение и убивая миллионы людей по всему миру. Она является причиной диарейных заболеваний, перитонита, колита, респираторных заболеваний и пневмонии и других болезней, а также основной причиной 80% инфекций мочевыводящих путей, которые являются самой распространенной бактериальной инфекцией.

Поэтому в течение последнего столетия исследователи стремились узнать о кишечной палочке все, что можно. Они изучили ее со всех сторон, синтезировали, тщательно исследовали до такой степени, что, по мнению многих людей, изучать больше нечего.

"Это, вероятно, самый изученный и понятный организм на планете", - говорит Кайл Эллисон, доцент кафедры Коултера. "И поэтому среди микробиологов, особенно в последние 20 лет или около того, существует тенденция уделять больше внимания другим микробам".

Но Эллисон и его коллеги присмотрелись к кишечной палочке повнимательнее, и их исследования дают новые сведения и поднимают новые вопросы об этом распространенном одноклеточном организме. Во-первых, оказывается, что кишечная палочка не всегда была одноклеточной. Исследовательская группа объяснила это в своем исследовании "Доказательства возможного многоклеточного жизненного цикла у кишечной палочки", опубликованном в журнале iScience.

"Мы выявили некоторые вещи, которые никогда раньше не встречались у бактерий", - говорит Эллисон, чья лаборатория в Эмори внимательно изучает отдельные бактерии, чтобы лучше понять устойчивость к антибиотикам и многоклеточные биопленки. В сотрудничестве с Эллисоном работали два сотрудника его лаборатории - аспирант Девина Пури, которая была ведущим автором, и постдокторский исследователь Синь Фанг.

Сообщества микробов

В природе бактерии живут в сообществах, называемых биопленками, которые представляют собой скопления микробов, заключенных в самодельную, самоподдерживающуюся слизистую матрицу и прикрепленных ко многим видам влажных поверхностей. Они повсюду вокруг нас и внутри нас. Обычные, повседневные примеры биопленок - зубной налет и прудовые отбросы.

Они могут расти на растительных и животных тканях, например, внутри нашего пищеварительного тракта, и вызывать серьезные инфекции. Кроме того, бактерии, живущие внутри защитной матрицы биопленки, менее подвержены воздействию антибиотиков.

"Мы знаем, что биопленки имеют важное клиническое значение, особенно в отношении инфекций", - сказал Эллисон, отметив, что около 80% всех бактериальных инфекций имеют компонент биопленки. "И почти любая бактерия, которую когда-либо изучали, может их создавать".

Для этого исследования группа Эллисона разработала устройства, сочетающие микрофлюидику и агарозные подушечки (которые используются для визуализации живых клеток), и использовала автоматизированную микроскопию для отслеживания и регистрации морфогенеза кишечной палочки.

Они обнаружили нечто новое - многоклеточный процесс самосборки в кишечной палочке. Исследователи наблюдали, как неприкрепленные одноклеточные организмы объединяются в четырехклеточные розетки - естественное многоклеточное образование, которое, как считается, редко встречается у бактерий.

"Розетки имеют большое значение для высших организмов, таких как млекопитающие, поскольку они инициируют процессы развития, такие как эмбриогенез", - сказал Эллисон.

Многоклеточные цепи

Они наблюдали, как розетки E. coli вырастают в цепочки постоянной ширины, которые продолжают расти в течение 10 поколений, прежде чем прикрепиться к поверхности и создать биопленку. Они увидели и записали бактериальные процессы, которые никогда не были замечены или записаны ранее.

"Мы видим, что бактерии, возможно, не такие, какими мы считали их в прошлом", - сказал Эллисон. "Я подозреваю, что то, что мы обнаружили, встречается гораздо чаще, чем мы думали".

То, что они узнали о разнообразии кишечной палочки и биопленок, имеет значение для синтетической биологии, лечения и профилактики бактериальных заболеваний, а также для нашего понимания развития многоклеточных. Например, Эллисон считает, что исследование его лаборатории может быть полезным в качестве образца для других областей исследований - например, для биопленочной инженерии, которая использует полезные свойства микробных сообществ, создавая программируемые биопленки.

"Исходя из того, что мы узнали, вероятно, самый эффективный подход к созданию биопленок - это позволить организмам делать то, что они хотят", - сказал Эллисон. "Затем, на последнем этапе, идея заключается в том, чтобы запрограммировать их на выполнение того, что вам нужно - создание молекулы для разработки лекарств, экспрессия фермента для разложения биопластика или чего-то вредного в окружающей среде. Наша работа дает четкое представление о том, как действовать дальше".