Biofilmer är flercelliga samhällen som bildas av tätt packade mikrober som ofta är associerade med ihållande infektioner. Branta gradienter av näringsämnen och syre bildas i dessa trånga strukturer. Den mänskliga patogenen Pseudomonas aeruginosa producerar molekyler som kallas fenaziner som hjälper den att klara de syrebegränsade förhållandena inom biofilmer. Columbiaforskare har avslöjat nya roller för proteiner i elektrontransportkedjan som innebär att de används vid användning av fenaziner. Upphovsman:Nicoletta Barolini, Columbia University
Biologer från Columbia University har avslöjat en mekanism genom vilken bakterieceller i trängsel, syreberövade miljöer får tillgång till syre för energiproduktion, säkerställa cellens överlevnad. Fyndet kan förklara hur vissa bakterier, Till exempel Pseudomonas aeruginosa ( P. aeruginosa ), kan trivas i syrefattiga miljöer som biofilm och motstå antibiotika.
" P. aeruginosa biofilminfektioner är en ledande dödsorsak för personer som lider av cystisk fibros, ett genetiskt tillstånd som påverkar lungorna och matsmältningssystemet, "säger huvudutredaren Lars Dietrich, docent i biologiska vetenskaper. "En förståelse för de vägar som bidrar till överlevnad och virulens av P. aeruginosa och andra bakterier som kan existera i syrehungade miljöer kan informera behandlingsmetoder för många av dessa och andra immunkompromitterade patienter. "
Studien visas i veckan i tidningen eLife .
Bakterier lever sällan av sig själva som encelliga organismer. De flesta växer istället i samhällen, utnyttja talens styrka för att bilda en biofilm med vävnadsliknande egenskaper som liknar en byggnadsställning som tjänar till att stärka samhället, gör det till 1, 000 gånger mer resistent mot de flesta antibiotika.
Varje enskild cell måste på egen hand extrahera elektroner från mat som sedan transporteras längs cellens membran tills de når en syremolekyl. Energin som frigörs under denna metaboliska process används för att upprätthålla livet. När bakteriesamhällen fortsätter att växa och bildas till en biofilm, dock, de kan bli överfulla, skapa en miljö där varje cell måste tävla om begränsade näringsämnen och syre för att överleva.
Forskning har visat att vissa bakterier, Inklusive P. aeruginosa , har utvecklat olika strategier för att reagera på och hantera de låga syreförhållandena i biofilmer. Bakteriesamhällen kan, till exempel, ändra biofilmens övergripande struktur så att förhållandet yta till volym är högre och en större andel av cellerna inuti har tillgång till syret på utsidan. P. aeruginosa kan också göra molekyler som kallas fenaziner, som hjälper till att transportera elektroner från insidan till utsidan av cellen och slutligen till syre tillgängligt på avstånd. En annan strategi är att göra alternativa versioner av terminala oxidaser, enzymer i membranet som överför elektroner till syre, som använder syre mer effektivt eller är bättre på att ta bort syre när dess koncentration är låg. Även om det har gjorts många studier för att undersöka vikten av dessa enzymer och strategier för P. aeruginosa tillväxt, de har till stor del genomförts i vätsyrade vätskekulturer i labbet. När P. aeruginosa infekterar en verklig värd, som en människa, den växer ofta som en biofilm och stöter på väldigt olika förhållanden.
Med federal finansiering från National Institutes of Health och National Science Foundation, Dietrich, första författaren Jeanyoung Jo, och deras kollegor satte sig för att bättre förstå om specifika terminala oxidaser är viktiga för P. aeruginosa metabolism i biofilmsamhällen, hur fenaziner kan kompensera för låga syrenivåer, och hur dessa anpassade strategier kan bidra till P. aeruginosa förmåga att orsaka infektioner.
De fann att elektrontransportkedjan så kritisk för omvandlingen av elektroner till energi kan och fungerar djupt inne i den syreberövade biofilmen och att i dessa miljöer, bakterien beror på en specifik del av kedjans terminala oxidas - ett protein som kallas CcoN4 - för att komma åt syre och växa normalt. Celler som saknar detta protein överlever inte lika bra som celler med det och forskarna tror därför att CcoN4 bidrar till bakteriens virulens. De fann också att CcoN4 spelar en roll i att använda fenaziner optimalt inom biofilmer. Även om dessa fenaziner tidigare har visat sig metaboliskt kompensera för de låga syreförhållandena i P. aeruginosa biofilmer, mekanismen som tillåter detta hade förblivit ett vetenskapligt mysterium.
"Denna bakterie är en mästare på att hitta olika strategier för att komma åt syre, "Dietrich sa." Vi visste att fenaziner var inblandade och att de på något sätt hjälpte cellen att få syre, men vi visste inte hur. Det verkar som om de kommer från elektrontransportkedjan. Det är en viktig uppenbarelse. Vi vet att bakterieceller har olika sätt att metabolisera energi i syrerika miljöer, men längst kunde vi inte räkna ut hur de gjorde när syre är svårt att komma åt. "
Resultaten kan ha stora konsekvenser för behandlingen av P. aeruginosa biofilminfektioner, som en förståelse för de vägar som bidrar till P. aeruginosa överlevnad och virulens kan informera behandlingsmetoder för patienter. Utveckla terapier som blockerar CcoN4-innehållande terminala oxidaser, till exempel, skulle försvaga bakterien och dess förmåga att orsaka infektion.
"Vi börjar förstå mer och mer hur celler kan överleva under ganska hemska omständigheter, "Sa Dietrich." Vi förstår mekanismen. Nu kan vi börja leta efter sätt att stänga av processen. "
