Как загнать бактерии в клетки и зачем это нужно?

Недавние эксперименты показали, что сообщества золотистых стафилококков (вызывают кожные заболевания, пневмонию, менингит и пр.), будучи окружёнными ещё бóльшими группами синегнойных палочек, становятся значительно устойчивее к воздействию антибиотиков. Синегнойная палочка, напомним, имеет некий аналог социального поведения: когда её родному коллективу угрожает лекарственная опасность, выделяются специальные сигнальные молекулы, «настораживающие» другие клетки и провоцирующие образование ими биоплёнки, которая не даёт даже убойным дозам антибиотиков проникнуть внутрь сообщества.

Заимствование хотя бы части этой устойчивости потенциальным возбудителем пневмонии и менингита — страшное зло, тем более что в реальной жизни синегнойные палочки нередко соседствуют с золотистым стафилококком. Но чтобы бороться с проблемой, надо знать, как именно происходит такой «обмен» устойчивостью к антибиотикам, каков механизм распространения последней.

Группа исследователей во главе с Джейсоном Широм (Jason B. Shear) из Техасского университета в Остине (США) использовала 3D-принтер для создания микродомов, или, если угодно, «клеток» для бактерий. Строительным материалом послужил протеин, а сам «дом» изготавливается лазерным лучом вокруг бактерии, находящейся в желатине. Структуры, производимые таким образом, могут быть почти любых размеров и форм, и после «строительства» (точнее — распечатки) их можно сравнительно легко передвигать относительно других микросообществ бактерий как этого же, так и другого вида.

По сути, метод открывает эпоху новых экспериментов с бактериями, в том числе с теми, что считаются возбудителями опаснейших заболеваний. Дело в том, что традиционные технологии, такие как выращивание бактериальных культур в чашках Петри и иных полностью искусственных средах, плохи тем, что бактериальные сообщества ведут себя там зачастую совсем не так, как в нашем организме. Поведение бактерий в подобных средах соответствует скорее поведению животных в зоопарке, где всё упорядочено и нет сложных факторов, а еду подносит обслуга. Согласитесь, из таких наблюдений непросто (если вообще возможно) сделать вывод о том, каков лев в дикой природе и чем он опасен для человека. Само собой, постичь тонкости развития заболеваний, вызываемых такими «бактериями в неволе», тоже нелегко.

Вновь представленный способ «позволяет по существу определить каждую переменную», уверяет Джоди Коннелл (Jodi L. Connell), ведущий автор работы. «Мы можем задать пространственное распределение в масштабах, на которых одиночная бактерия способна чувствовать и ощущать. Кроме того, много точнее, чем когда-либо, мы можем моделировать для бактерий те сложные экологические ситуации, которые есть в реальных инфекциях, когда одновременно взаимодействуют многочисленные бактериальные виды», — уточняет специалист.

В новых «клетках» из желатина бактерии могут свободно жить и размножаться; нагрев при создании конструкции относительно невелик и, конечно, не вредит организмам. При комнатной температуре такие желатиновые «апартаменты» твердеют, позволяя оставить бактерию именно там, где вы хотите её видеть, не давая изучаемому организму ускользнуть и смешаться с другими — теми, что не подвергались в опыте такому же воздействию тех или иных раздражителей (антибиотиков). По сути, учёные впервые могут заставить бактерии участвовать в экспериментах, соответствующих реальным условиям заболевания, а не их абстрактным схемам.

Лазерный принтер, используемый для строительства желатиновых «домиков», сравнительно прост, а управляющая им микросхема вообще позаимствована у цифрового кинопроектора. При этом точность лазера позволяет производить детали размером в сотни раз тоньше человеческого волоса.

Проницаемость стенок «домов» такова, что и продукты питания, и отходы жизнедеятельности бактерий могут проникать сквозь них; точно так же разные организмы вольны обмениваться сигналами, несмотря на существование стенок. При этом сам микроб, понятно, не может покинуть своё обиталище.

В любой момент эксперимента, удалив при помощи лазера лишний желатин или внеся новый слой, можно остановить рост бактерий и проанализировать текущую ситуацию, дабы понять, какие из «подопытных» переключаются в активное состояние в ответ на то или иное изменение среды.

Именно этот метод позволил расположить сообщества золотистых стафилококков внутри более крупного коллектива синегнойных палочек.

«Это исключительно распространённые бактерии, — напоминает нам Джейсон Шир. — Их часто можно видеть вместе во время инфекции, и понятно, что у них есть механизмы, позволяющие чувствовать присутствие друг друга. Наша технология даёт исследователям возможность заставить микроорганизмы «вести диалог» именно в том виде, в котором это нужно, и затем проследить, что при этом происходит. В данном случае стафилококки чувствовали присутствие синегнойных палочек, и одним из результатов этого оказалось получение первыми большей устойчивости к антибиотикам».

Итак, подведём итог: главная цель работы на её нынешнем этапе — понимание того, как именно происходит чреватая для нашего здоровья бактериальная «смычка» и что можно сделать, чтобы её избежать.

Но есть и более общие задачи, которые новый метод, несомненно, позволит решить. Внутрибольничные инфекции ежегодно аукаются десятками тысяч смертей (как в России, так и в европейских странах), однако о путях их распространения внутри лечебных учреждений известно очень мало, ибо соответствующие условия трудно воспроизвести в лаборатории — как трудно воссоздать Серенгети в зоопарке.

«Есть наблюдения, которые, как кажется, дают основания считать, что инфекции в больницах распространяются очень малыми микроколониями бактерий, переносимыми оборудованием или персоналом самой больницы из одной её части в другую. Но о том, как это происходит, мы не очень-то осведомлены. Как много клеток для этого нужно? Не растёт ли вирулентность [«заразность»] и устойчивость к антибиотикам именно за счёт малых размеров таких групп?.. Теперь у нас наконец-то появились средства, позволяющие начать работать над такими вопросами значительно эффективнее, чем раньше», — уверены учёные.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Подготовлено по материалам Техасского университета в Остине.