کشف بیوفیلم جدید می تواند راه را برای از بین بردن سودوموناس های مقاوم به آنتی بیوتیک هموار کند.

باکتری معروف به سودوموناس آئروژینوزا یک بازدیدکننده ناخواسته برای بدن انسان است. هنگامی که گروهی از این حشرات روی یک سطح قرار می گیرند و یک بیوفیلم را تشکیل می دهند، عفونت های جدی ممکن است رخ دهد. باکتری‌های خوشه‌ای به ریه‌های بیماران مبتلا به فیبروز کیستیک و شرایطی که نیاز به استفاده از دستگاه‌های تنفس مصنوعی مانند COVID-19 شدید دارند، حمله می‌کنند. حتی بدتر از آن، سازمان بهداشت جهانی سودوموناس را در میان باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک که بزرگترین تهدید برای سلامت انسان هستند، فهرست می‌کند.

با این حال، اکنون یافته‌های جدید محققان به سرپرستی مؤسسه نانوسیستم‌های کالیفرنیا (CNSI) UCLA نشان می‌دهد که سودوموناس دقیقاً چگونه از کاوش یک سطح به درگیر شدن با آن و ساختن یک جامعه می‌رود – یک کشف کلیدی که می‌تواند به هموار کردن راه برای درک چگونگی مقابله با این نوع عفونت‌ها کمک کند.

مطالعه جدید نشان می‌دهد که چگونه سودوموناس قندهای خاصی را که توسط سایر گونه‌هایش که زودتر وارد شده‌اند، شناسایی کرده و به آن‌ها متصل می‌شود. سلول این مسیرهای قندی را با استفاده از پروتئین روی بدن خود حس می کند و سپس قندها را با استفاده از زائده های مو مانند به نام پیلی شناسایی می کند. این فایل ها معمولاً برای خزیدن سطحی استفاده می شوند، اما در این مورد به عنوان حسگرهای مکانیکی نیز عمل می کنند که استحکام پیوندهای قندی را آزمایش می کنند. همه این اطلاعات به سیگنال‌های شیمیایی در داخل سلول تبدیل می‌شوند که عملکرد سایر ماشین‌های باکتریایی را هدایت می‌کنند، مانند ترشح کنترل‌شده قندهای بیشتر برای ایجاد بیوفیلم.

در گزارش گزارش شده است میکروبیولوژی طبیعینتایج می تواند کاربردها در سلامت انسان و صنعت را اطلاع دهد. برای سودوموناس، این یافته ها می تواند به رویکردهای بهتری برای از بین بردن توانایی حشرات خطرناک برای مقاومت در برابر درمان دارویی منجر شود.

ویلیام اشمیت، یکی از نویسندگان این مقاله، دانشجوی دکترای مهندسی زیستی در UCLA، گفت: «ما می‌توانیم روی این نتایج برای تأثیرگذاری بر رفتار باکتری‌ها تصور کنیم.» ممکن است بتوانیم سلول‌ها را به نسخه‌های پاسخگوتر به آنتی‌بیوتیک‌ها تبدیل کنیم که درمان آسان‌تر است.»

پاسخ به معمای میکروبیولوژی

مسیرهای قند ترشح شده توسط باکتری ها سازماندهی بیوفیلم ها را هدایت می کند. تا به حال، مکانیسم‌های پشت این که چگونه سلول‌ها قندهای ترشح شده از یکدیگر را در سطح تشخیص می‌دهند، نامشخص بوده است. علاوه بر این، پروتئین‌های غشای سلولی که به قندهای خاص متصل می‌شوند، فاقد ساختارهای لازم برای فعال کردن هرگونه سیگنال‌دهی، یک معمای طولانی مدت هستند.

پیچ و تاب نشان داده شده توسط این تحقیق، نقش حس مکانیکی توسط پیلی به عنوان واسطه این سیگنال دهی است.

جرارد وانگ، عضو CNSI، نویسنده مسئول مطالعه و استاد مهندسی زیستی در دانشکده مهندسی ساموئلی UCLA، گفت: «این شکل از تولید سیگنال در این زمینه جدید است.

مردم پیلی را بیشتر به عنوان زائده حرکتی می پنداشتند. معلوم شد که آنها همچنین به عنوان حسگرهایی عمل می کنند که نیرو را به سیگنال های شیمیایی موجود در باکتری ها تبدیل می کنند که برای شناسایی قندها استفاده می کنند. برای اولین بار، ما می بینیم که چگونه اطلاعات حسی در باکتری ها توسط زائده های آنها رمزگذاری می شود.”

ویلیام اشمیت، دکترا، دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس

قندهای آزاد شده توسط باکتری ها هم به عنوان مسیری برای دیگران و هم به عنوان مصالح ساختمانی برای جوامعشان عمل می کند. در مراحل بعدی توسعه بیوفیلم، این قندهای باکتریایی به رفع انبوه حشرات در محل کمک می‌کنند و یک ماتریکس بیوفیلم اطراف را تشکیل می‌دهند که در برابر چالش‌هایی که ممکن است آن را از بین ببرد محافظت می‌کند.

سودوموناس از مسیرهای قند، L تا R بازدید می کند: سلول های طبیعی با قندهای خود. سلول های منظم با مسیرهای مصنوعی و طبیعی؛ سلول ها طوری مهندسی شده اند که نتوانند از طریق مسیرهای مصنوعی قند تولید کنند.

برای بررسی این سیستم، محققان سطحی را طراحی کردند که با ردپایی از قند مصنوعی از پیش ساخته شده بود و از قندهایی که به طور طبیعی توسط باکتری‌ها تولید می‌شوند و به ویژه برای سودوموناس جذاب است، تقلید کردند. این تیم با استفاده از مهندسی ژنتیک و تکنیک های پیشرفته ردیابی سلولی، سیستم هماهنگ ترکیبی از سنجش شیمیایی و مکانیکی را نشان داد.

آنچه که یافته ها می تواند برای سلامت انسان و جامعه معنی داشته باشد

سودوموناها زمانی که باکتری ها در یک جامعه بیوفیلم سیمان می شوند، بسیار کمتر به آنتی بیوتیک ها حساس هستند. آنها در حالت شنای آزاد بسیار آسیب پذیرتر هستند. تحقیقات به دنبال مطالعه CNSI پتانسیل ارائه راه حل برای عفونت سودوموناس در بیماران فیبروز کیستیک و دیگران را دارد.

کالوین لی، یکی از نویسندگان اول، محقق فوق دکترا در UCLA، می گوید: «فرصتی وجود دارد که زمان تشکیل بیوفیلم را به عقب برگردانیم». حتی اگر از قبل یک بیوفیلم داشته باشید، ممکن است بتوانید باکتری ها را وادار کنید تا خودشان آن را جدا کنند.

این مطالعه همچنین ممکن است راه‌حل‌هایی برای مشکلات دیگر ایجاد شده توسط جوامع باکتریایی ارائه دهد. بیوفیلم ها لوله ها و فیلترها و همچنین راکتورهای مورد استفاده برای واکنش های شیمیایی در صنعت را آلوده می کنند. آنها همچنین اولین مرحله در تجمع گیاهان و جانوران کشتی ها در دریا هستند.

وونگ که همچنین استاد شیمی و بیوشیمی و میکروبیولوژی، ایمونولوژی و ژنتیک مولکولی در UCLA است، گفت: «می‌توانیم بپرسیم، آیا می‌توان سطح را برای باکتری‌ها نامرئی کرد؟» “اگر سطحی به دست آورید که فضای خالی را به اندازه کافی تقلید کند، تا آنجا که باکتری ها چیزها را درک می کنند، ممکن است این مشکل چند میلیارد دلاری رسوب زیستی حل شود.”

محققان در حال بررسی مجموعه وسیع تری از قندهای حس شده توسط پروتئین های سطحی در سودوموناس و همچنین چگونگی تأثیر سطوح متفاوت بر سفر باکتری ها هستند. دانشمندان همچنین قصد دارند ارتباط بین این یافته ها و نتایج قبلی را که نشان می دهد سیگنال دهی سلولی در نسل های مختلف باکتری در بیوفیلم ها ادامه دارد را بررسی کنند.