En studie som leds av forskare vid Indiana University, publicerad 26 oktober i tidningen Vetenskap , rapporterar en ny metod för att avgöra hur bakterier känner kontakt med ytor, en åtgärd som utlöser bildandet av biofilmer - flercelliga strukturer som orsakar stora hälsoproblem hos människor och hotar kritisk infrastruktur, som vatten- och avloppssystem.

Det uppskattas att biofilmer bidrar till cirka 65 procent av mänskliga infektioner och orsakar miljarder i medicinska kostnader varje år. De spelade ökänt en roll i osäkra koliforma nivåer i 21 miljoner amerikaners vattenförsörjning i början av 1990 -talet och, på senare tid, troligen spelat en roll vid flera utbrott av Legionnaires sjukdom i Flint, Michigan. De bidrar också regelbundet till globala kolerautbrott.

Biofilm orsakar allvarliga skador i industrin, inklusive igensättning av vattenfiltreringssystem eller bromsning av lastfartyg genom att "bioförorena" fordonens skrov, kostar uppskattningsvis 200 miljarder dollar per år enbart i USA. Det finns också fördelaktiga biofilmer, som de som hjälper matsmältningen eller hjälper till att bryta ner organiskt material i miljön.

Forskarna, ledd av IU Distinguished Professor in Biology Yves Brun, upptäckte hur bakterier upptäcker och fastnar på ytor. Forskarna upptäckte också en metod för att lura bakterier att tro att de känner en yta.

Teamet visade att bakterier använder ultratunna hårliknande tillägg som kallas pili som sträcker sig från cellen och drar sig dynamiskt tillbaka för att känna och hålla sig till ytor och i slutändan producera biofilmer. Pili slutar röra sig efter att ha känt en yta, varefter bakterierna börjar producera en extremt klibbig substans, eller "bioadhesiv, "som driver vidhäftning till ytor och biofilmbildning.

Att lura bakterierna att känna av en yta, Bruns team fäste en stor maleimidmolekyl till pili för att effektivt blockera de hårliknande strukturernas rörelse.

"Det är som att försöka dra ett rep med en knut i mitten genom ett hål - maleimidmolekylen kan inte passera genom hålet som cellen använder för att förlänga och dra tillbaka pili, "sa Courtney Ellison, studiens huvudförfattare och en doktorsexamen student i Bruns laboratorium.

"Dessa resultat berättade för oss att bakterierna känner av ytan som hur en fiskare vet att deras snörning fastnar under vatten, "Tillade Brun." Det är först när de rullar i linjen som de känner en spänning, som berättar att deras linje fångas. Bakteriernas pili är deras fiskelinor. "

Upptäckten är möjlig på grund av teamets nya metod för att observera hur bakterier använder pili för att sprida biofilmer. De utförde denna observation med expertlevererade florescensfärgämnen - levererade på baksidan av mindre maleimidmolekyler - som avslöjade rörelsen hos dessa mikroskopiska "lemmar".

"Genom att använda fluorescerande färgämnen för att märka dessa mikroskopiska strukturer, vi kan producera bilder som visar det första direkta beviset på den roll som pili spelar för att upptäcka ytor, "Sa Brun.

För att observera rörelsen av pili, IU -teamet var tvungna att övervinna en utmaning:hur man visualiserar de extremt tunna strukturerna och deras rörelse. De gjorde detta genom att ersätta en enda aminosyra i kedjan av aminosyror som består av pili med en annan aminosyra som kallas cystein. Maleimiden, som levererade de fluorescerande färgämnena till pili -proteinerna, binder till cystein. Maleimiden är också molekylen som används för att leverera den stora molekylen till cystein i pili -proteinet för att fysiskt blockera pili -rörelsen.

"Det är som att tända ett ljus i ett mörkt rum, "Ellison sa." Pili består av tusentals proteinsubenheter som kallas pilins, med varje protein i kedjan sammansatt av aminosyror arrangerade som en trasslig röra av utbrända julbelysning. Att byta ut ett enda ljus kan belysa hela strängen. "

Att konstruera en cysteinmolekyl som kan ersätta en aminosyra i pilinerna utan att påverka pelis totala beteende var en stor utmaning, tillade hon. Bakterierna som användes i experimentet var Caulobacter crescentus, en bakterie som vanligtvis används i laboratorieexperiment.

"Vi använde också denna metod i denna studie för att visualisera de tre typerna av pili som produceras av Vibrio cholerae, en bakterie som orsakar kolera, "säger studieförfattaren Ankur Dalia, en IU biträdande professor i biologi. "Pili är avgörande för många aspekter av Vibrios virulens, och vi använder nu detta kraftfulla verktyg för att förstå hur de använder dem. "

Nästa, Brun och kollegor hoppas kunna reda ut exakta mekanismer som länkar pili -rörelse och bioadhesiv produktion, eftersom de två processerna verkar relaterade men kopplingens exakta karaktär är fortfarande okänd.

"Ju mer vi förstår om mekaniken hos pili vid biofilmbildning och virulens, ju mer vi kan manipulera processen för att förhindra skada på människor och egendom, "Sa Brun.