החיידק המכונה Pseudomonas aeruginosa הוא מבקר לא רצוי בגוף האדם. זיהומים חמורים עלולים להיווצר כאשר חבורה של חרקים אלה מתיישבים יחד על משטח ויוצרים ביופילם – קהילה של חיידקים כמו הרפש על מזון מקולקל, אך במקרה זה שוכנת בתוך אדם. החיידקים המקובצים תוקפים את ריאותיהם של חולים עם סיסטיק פיברוזיס ומצבים הדורשים שימוש במאווררים, כמו COVID-19 חמור. גרוע מכך, ארגון הבריאות העולמי מפרט את פסאודומונס בין החיידקים העמידים לאנטיביוטיקה המהווים את האיום הגדול ביותר על בריאות האדם.
אולם כעת, ממצאים חדשים של חוקרים בראשות מכון NanoSystems של קליפורניה ב-UCLA (CNSI) חושפים כיצד Pseudomonas עוברים מחקירת משטח להתחייבות אליו ובניית קהילה – ממצא מרכזי שיכול לעזור לסלול את הדרך להבנה כיצד להתמודד עם סוגים אלה של זיהומים.
המחקר החדש חשף כיצד Pseudomonas מזהה ונקשר לסוכרים ספציפיים שהותירו אחריהם אחרים מהמין שלו שהגיעו מוקדם יותר. התא חש את עקבות הסוכר הללו באמצעות חלבונים על גופו, ולאחר מכן מזהה את הסוכרים באמצעות תוספות דמויי שיער הנקראים פילי. הפילי הללו משמשים בדרך כלל לזחילה לאורך משטח, אך במקרה זה משמשים כחיישנים מכניים הבודקים את חוזק קשרי הסוכר. כל המידע הזה מתורגם לאותות כימיים בתוך התא שמנחים את פעולתם של מכונות חיידקיות אחרות, כמו הפרשה מבוקרת של עוד סוכרים ליצירת סרטי ביופילם.
דווח בכתב העת מיקרוביולוגיה של הטבעהתוצאות עשויות להודיע ליישומים בבריאות האדם ובתעשייה. עבור Pseudomonas, הממצאים יכולים להוביל לגישות טובות יותר לערעור יכולתם של החרקים המסוכנים להתנגד לטיפולים תרופתיים.
"אנו יכולים לדמיין בנייה על תוצאות אלו כדי להשפיע על התנהגות החיידקים", אמר המחבר הראשון ויליאם שמידט, דוקטורנט באוניברסיטת UCLA לביו-הנדסה. "אולי נוכל להפוך את התאים לגרסאות יותר רגישות לאנטיביוטיקה של עצמם שקל יותר לטפל בהן".
תשובות לחידה של מיקרוביולוגיה
שבילי סוכר המופרשים על ידי חיידקים מנחים את ארגון הסרטים הביולוגיים. עד כה, המנגנונים שמאחורי האופן שבו תאים מזהים סוכרים המופרשים זה מזה על פני השטח לא היו ברורים. יתרה מכך, חלבוני קרום התא הנקשרים לסוכרים ספציפיים חסרים את המבנים הדרושים כדי לאפשר כל איתות, דבר שהיה חידה ארוכת שנים.
הטוויסט שחשף המחקר הוא תפקידה של חישה מכנית על ידי פילי כמתווך של איתות זה.
"הצורה הזו של יצירת אותות היא חדשה בתחום", אמר חבר CNSI ג'רארד וונג, מחבר מקביל של המחקר ופרופסור לביו-הנדסה בבית הספר להנדסה ב-UCLA Samueli.
אנשים חשבו על פילי בעיקר בתור תוספות להסתובבות. מסתבר שהם גם פועלים כחיישנים שמתרגמים כוח לאותות כימיים בתוך חיידקים, שבהם הם משתמשים כדי לזהות סוכרים. אנו רואים כיצד מידע חושי מקודד בחיידקים על ידי הנספחים שלהם בפעם הראשונה."
וויליאם שמידט, דוקטורנט, אוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס
הסוכרים שמשחררים חיידקים משמשים גם כשבילים שאחרים יכולים לעקוב אחריהם וגם חומרי בנייה לקהילות שלהם. בשלבים מאוחרים יותר של התפתחות הביופילם, אותם סוכרים חיידקיים עוזרים לתקן את קהל החרקים במקום וליצור את המטריצה שמסביב לביופילם המגנה מפני אתגרים שעלולים לעקור אותו.
ביקורי Pseudomonas בשבילי סוכר, L עד R: תאים רגילים עם סוכרים משלהם; תאים רגילים עם שבילים מלאכותיים וטבעיים; תאים שהונדסו כך שהם לא יכולים לייצר סוכרים עם שבילים מלאכותיים.
כדי לחקור את המערכת הזו, החוקרים יצרו משטח עם דוגמת שבילים מוכנים מראש של סוכר סינתטי, המחקה את הסוכרים המיוצרים באופן טבעי של החיידק ומושך במיוחד לפסאודומונס. באמצעות הנדסה גנטית וטכניקות מתקדמות של מעקב אחר תאים, הצוות חשף את המערכת המתואמת המשלבת חישה כימית ומכאנית.
מה המשמעות של הממצאים על בריאות האדם והחברה
Pseudomonas הרבה פחות רגישים לאנטיביוטיקה כאשר החיידקים מוצמדים לקהילת ביופילם. הם הרבה יותר פגיעים בזמן שהם בצורת השחייה החופשית שלהם. למחקר המעקב אחר המחקר בהובלת CNSI יש פוטנציאל להניב פתרונות לזיהומי פסאודומונס בחולי סיסטיק פיברוזיס ואחרים.
"יש אפשרות להחזיר את השעון לאחור לגבי היווצרות ביופילם", אמר המחבר הראשון, קלווין לי, חוקר פוסט-דוקטורט ב-UCLA. "גם אם כבר יש לך ביופילם, אולי תוכל לגרום לחיידקים לפרק אותו בעצמם".
המחקר עשוי גם לספק פתרונות לבעיות אחרות שנוצרו על ידי קהילות חיידקים. סרטי ביו-פילמים מלכלכים צינורות ומסננים, כמו גם כורים המשמשים לתגובות כימיות בתעשייה. הם גם השלב הראשון בהצטברויות של חי וצומח הצובעים ספינות בים.
"אנחנו יכולים לשאול, 'האם אפשר להפוך משטח בלתי נראה לחיידקים?'", אמר וונג, שהוא גם פרופסור לכימיה וביוכימיה ולמיקרוביולוגיה, אימונולוגיה וגנטיקה מולקולרית ב-UCLA. "אם תקבל משטח שיחקה מספיק חלל ריק, עד כמה שהחיידקים קולטים דברים, ייתכן שניתן יהיה לפתור את בעיית ההדבקה הביולוגית של מיליארדי דולרים".
החוקרים בוחנים את הרפרטואר הרחב יותר של סוכרים הנחושים על ידי חלבוני פני השטח ב-Pseudomonas, כמו גם כיצד משטחים בעלי צורה שונה משפיעים על מסעות החיידקים. המדענים מתכוונים גם לחקור קשרים בין ממצאים אלו לבין תוצאות קודמות המצביעות על כך שהאותות הסלולריים נמשכים לאורך דורות של חיידקים בביופילמים.
