Een studie geleid door onderzoekers van de Indiana University, 26 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , meldt een nieuwe methode om te bepalen hoe bacteriën contact met oppervlakken voelen, een actie die de vorming van biofilms veroorzaakt - meercellige structuren die grote gezondheidsproblemen bij mensen veroorzaken en een bedreiging vormen voor kritieke infrastructuur, zoals water- en rioleringssystemen.

Geschat wordt dat biofilms bijdragen aan ongeveer 65 procent van de menselijke infecties en jaarlijks miljarden aan medische kosten veroorzaken. Ze speelden een beruchte rol bij onveilige coliformniveaus in de watervoorziening van 21 miljoen Amerikanen in het begin van de jaren negentig en, recenter, speelde waarschijnlijk een rol bij verschillende uitbraken van de veteranenziekte in Flint, Michigan. Ze dragen ook regelmatig bij aan wereldwijde cholera-uitbraken.

Biofilms veroorzaken ernstige schade in de industrie, inclusief het verstoppen van waterfiltratiesystemen of het vertragen van vrachtschepen door "biofouling" van de rompen van de voertuigen, alleen al in de VS kost het naar schatting $ 200 miljard per jaar. Er zijn ook nuttige biofilms, zoals die die de spijsvertering bevorderen of helpen bij het afbreken van organisch materiaal in het milieu.

De onderzoekers, onder leiding van IU Distinguished Professor of Biology Yves Brun, ontdekte de manier waarop bacteriën oppervlakken detecteren en zich eraan vastklampen. De onderzoekers ontdekten ook een methode om bacteriën te laten denken dat ze een oppervlak voelen.

Het team toonde aan dat bacteriën ultradunne haarachtige aanhangsels gebruiken, pili genaamd, die zich uit de cel uitstrekken en zich dynamisch terugtrekken om te voelen en aan oppervlakken te kleven en uiteindelijk biofilms te produceren. De pili stopt met bewegen na het detecteren van een oppervlak, waarna de bacteriën een extreem plakkerige substantie gaan produceren, of "bioadhesief, " die hechting aan oppervlakken en biofilmvorming stimuleert.

Om de bacteriën voor de gek te houden door een oppervlak te voelen, Het team van Brun bevestigde een groot maleïmidemolecuul aan de pili om de beweging van de haarachtige structuren effectief te blokkeren.

"Het is alsof je probeert een touw met een knoop in het midden door een gat te trekken - het maleïmidemolecuul kan niet door het gat gaan dat de cel gebruikt om de pili uit en in te trekken, " zei Courtney Ellison, de hoofdauteur van de studie en een Ph.D. student in Bruns lab.

"Deze resultaten vertelden ons dat de bacteriën het oppervlak voelen zoals een visser weet dat zijn lijn onder water vastzit, Brun voegde eraan toe. "Pas wanneer ze de lijn binnenhalen, voelen ze een spanning, die hen vertelt dat hun lijn is gevangen. De pili van de bacteriën zijn hun vislijnen."

De ontdekking is mogelijk dankzij de nieuwe methode van het team om te observeren hoe bacteriën pili gebruiken om biofilms te verspreiden. Ze bereikten deze waarneming met vakkundig geleverde fluorescerende kleurstoffen - geleverd op de achterkant van kleinere maleïmidemoleculen - die de beweging van deze microscopische "ledematen" onthulden.

"Door fluorescerende kleurstoffen te gebruiken om deze microscopische structuren te labelen, we zijn in staat om beelden te produceren die het eerste directe bewijs tonen van de rol die pili spelen om oppervlakken te detecteren, ' zei Brun.

Om de beweging van pili te observeren, het IU-team moest een uitdaging overwinnen:hoe de extreem dunne structuren en hun beweging te visualiseren. Ze deden dit door een enkel aminozuur in de keten van aminozuren waaruit de pili bestaat te vervangen door een ander aminozuur dat cysteïne wordt genoemd. de maleïmide, die de fluorescerende kleurstoffen afleverde aan de pili-eiwitten, bindt aan de cysteïne. De maleïmide is ook het molecuul dat wordt gebruikt om het grote molecuul af te leveren aan de cysteïne in het pili-eiwit om de pili-beweging fysiek te blokkeren.

"Het is alsof je een licht aandoet in een donkere kamer, "Zei Ellison. "Pili zijn samengesteld uit duizenden eiwitsubeenheden die pilins worden genoemd, waarbij elk eiwit in de keten bestaat uit aminozuren die zijn gerangschikt als een warboel van uitgebrande kerstverlichting. Het verwisselen van een enkel licht kan de hele snaar verlichten."

Het ontwikkelen van een cysteïnemolecuul dat een aminozuur in de pilins zou kunnen vervangen zonder het algehele gedrag van de pili te beïnvloeden, was een grote uitdaging, voegde ze eraan toe. De bacteriën die in het experiment werden gebruikt, waren Caulobacter crescentus, een bacterie die veel wordt gebruikt in laboratoriumexperimenten.

"We hebben deze methode in dit onderzoek ook gebruikt om de drie soorten pili te visualiseren die door Vibrio cholerae worden geproduceerd, een bacterie die cholera veroorzaakt, " zei co-auteur van de studie Ankur Dalia, een IU-assistent-professor biologie. "Pili is cruciaal voor veel aspecten van Vibrio's virulentie, en we gebruiken deze krachtige tool nu om te begrijpen hoe ze ze gebruiken."

Volgende, Brun en collega's hopen precieze mechanismen te ontrafelen die pili-beweging en bioadhesieve productie met elkaar verbinden, aangezien de twee processen gerelateerd lijken, maar de exacte aard van de verbinding blijft onbekend.

"Hoe meer we begrijpen over de mechanica van pili in biofilmvorming en virulentie, hoe meer we het proces kunnen manipuleren om schade aan mensen en eigendommen te voorkomen, ' zei Brun.