Физики порвали кишечную палочку

Испанским физикам удалось прорвать клеточную стенку кишечной палочки с помощью иглы атомно-силового микроскопа. Для разрыва понадобилась сила более 20 наноньютонов, что превышает предыдущие оценки. Кроме того, оказалось, что для прекращения клеточного деления палочки достаточно и слабых надавливаний. В статье, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, для достижения такого механо-бактерицидного эффекта ученые предлагают использовать вытянутые коллоидные наночастицы в растворе.

В последние годы бактерии со все большей скоростью приспосабливаются к традиционным химическим антибиотикам, после чего последние перестают работать (подробно о проблемах современных антибиотиков и мультирезистентных бактерий мы уже писали в материале «Конец прекрасной эпохи»). Единственное, против чего бактерии точно не могут защититься — это механический разрыв клеточной оболочки. Ученые обнаружили такой эффект в природе (например, на крыле стрекозы) и уже начали создавать механо-бактерицидные наноструктуры в виде коллоидных наночастиц или поверхностей со стержнями из титановых или углеродных материалов.

Механизм такого разрушения клеточной стенки до конца не изучен, хотя ученые уже наблюдали за ним через атомный силовой микроскоп и пытались моделировать. Так, физики уже прокалывали иглой атомно-силового микроскопа клеточную стенку грамотрицательной бактерии Salmonella typhimurium — для разрыва потребовалась сила в один-два наноньютона. Однако ученые заметили, что клетка все еще была жива после нескольких проколов благодаря перестройке фосфолипидов в клеточной мембране. Также иглой атомно-силового микроскопа моделировали взаимодействие бактерии и одностеночной углеродной нанотрубки. Для высушенных клеток Escherichia coli и Bacillus subtilis сила для разрыва клеточной стенки превысила десять наноньютонов, чего не может обеспечить один контакт нанотрубки с бактерией, но его, например, возможно достичь в процессе фильтрации через нанотрубочную мембрану.

Чтобы установить необходимую силу для прокалывания кишечной палочки, испанские физики из Автономного Университета Мадрида под руководством Кристины Флорс (Cristina Flors), надавливали на обездвиженные клетки иглой атомно-силового микроскопа. За жизнеспособностью клетки наблюдали с помощью флуоресценции йодида пропидиума, который после связывания с молекулами ДНК и РНК увеличивает свою светимость.

Зависимость прикладываемой силы от погружения - синими стрелками обозначено событие прорыва клеточной мембраны

Adrián del Valle et al./ ACS Applied Materials & Interfaces, 2020

Поделиться

Ученые надавливали на клеточную стенку с разной силой и в месте разрыва наблюдали резкое изменение механических свойств (после клеточной стенки игла не встречала достаточного сопротивления от цитоплазмы клетки). Разрыв произошел при силе в 20 наноньютон на глубине в 373 нанометра, что приблизительно равно половине диаметра кишечной палочки.

Изменение флуоресценции со временем при прикладываемой силе в 35 наноньютон, во вставке - картирование до (сверху) и после (снизу) проникновения иглы

Adrián del Valle et al./ ACS Applied Materials & Interfaces, 2020

Поделиться

Изменение флуоресценции со временем при прикладываемой силе в 50 наноньютон, во вставке - картирование до (сверху) и после (снизу) проникновения иглы

В отличие от экспериментов с вирусами, у кишечной палочки ученые обнаружили задержку в пару секунд между проколом клеточной стенки и увеличением флуоресценции йодида пропидиума. Чтобы проверить, не мешает ли сама игла проникновению в клетку, физики оставили иглу в кишечной палочке на пять-десять секунд — проникновение вещества началось только после вытаскивания иглы. Такое поведение может быть связано не только с блокировкой отверстия иглой, но и с более сложной диффузией йодида пропидиума по поврежденной бактерии.

Задержка увеличения флуоресценции при блокировании пути проникновения иглой

Далее ученые проследили за физиологическим состоянием клетки во время надавливания с разной силой по периоду колебаний белковой системы Min, которая определяет положение клеточной стенки при делении, что напрямую связано с ее общим состоянием. До надавливания период колебаний составил 63 секунды, при слабом надавливании с силой в пять наноньютонов период незначительно повысился, а при силе в 45 наноньютонов колебания прекратились полностью. Примечательно, что при последовательных надавливаниях с силой в два наноньютона колебания белковой системы также прекращаются, хотя разрушения клеточной оболочки не происходит.

Сверху - колебания флуоресценкии белковой системы Min. Прерывистая красная линия - приложение небольшой силы в пять наноньютон, прямая красная линия - приложение большой силы, после которой колебания затухли. Ниже кимограммы проколотого образца (P) и контроля (C)

Система Min нарушается и при последовательном слабом воздействии иголкой без разрыва клетки

1/2 Авторы заключили, что для разрушения клеточной оболочки кишечной палочки необязательно ее протыкать: можно просто на нее много раз надавить — и бактерия все равно перестанет функционировать. Именно поэтому для подобного механо-бактерицидного эффекта подойдут, например, и коллоидные продолговатые наночастицы, которые могут перемещаться по всему объему раствора и многократно надавливать на стенки бактерий.
Сфера традиционных химических антибиотиков тоже развивается: месяц назад американские ученые представили новый препарат, не вызывающий резистентность. Бактерии не смогли выработать устойчивость из-за двойного механизма воздействия вещества SCH-79797 — он влияет сразу на клеточную мембрану и метаболизм фолатов.

Артем Моськин

https://nplus1.ru/