מחקרים חדשים מאוניברסיטת אריזונה סטייט חושפים דרכים מפתיעות שבהן חיידקים יכולים לנוע ללא הדגל שלהם – המדחפים הדקים דמויי השוט שבדרך כלל דוחפים אותם קדימה.
תנועה מאפשרת לחיידקים ליצור קהילות, להתפשט למקומות חדשים או לברוח מסכנה. הבנה כיצד הם עושים זאת יכולה לעזור לנו לפתח כלים חדשים להילחם בזיהומים.
במחקר הראשון, Navish Wadhwa ועמיתיו מראים שסלמונלה ו-E. coli יכולים לנוע על פני משטחים לחים גם כאשר הדגלים שלהם מושבתים. כחלק מחילוף החומרים שלהם, החיידקים מתסיסים סוכרים ומקימים זרמים זעירים כלפי חוץ על פני השטח הלחים. זרמים אלו נושאים את המושבה קדימה, כמו עלים הנסחפים על זרם דק של מים.
החוקרים מכנים צורה חדשה זו של תנועה "שטיפה". זה עשוי לעזור להסביר כיצד חיידקים מזיקים מיישבים בהצלחה מכשירים רפואיים, פצעים או משטחים לעיבוד מזון. הבנה כיצד מטבוליזם מניע את תנועת החיידקים יכולה לעזור לחוקרים לפתח טכניקות חדשות להגבלת זיהומים, למשל על ידי שינוי ה-pH המקומי או זמינות הסוכר.
"הופתענו מהיכולת של חיידקים אלה לנדוד על פני משטחים ללא דגלים פונקציונליים. למעשה, משתפי הפעולה שלנו תכננו במקור את הניסוי הזה כ'בקרה שלילית', כלומר ציפינו (ברגע שנעשו) חסרי דגלים, שהתאים לא יזוזו", אומר וואדהווה. "אבל החיידקים נדדו בנטישה, כאילו שום דבר לא קרה, והובילו אותנו למסע רב-שנתי להבין איך הם עושים את זה.
זה רק מראה שגם כשאנחנו חושבים שהבנו משהו, לעתים קרובות יש הפתעות שמחכות מתחת לפני השטח, או במקרה הזה, מעליו".
נאוויש וואדהווה, אוניברסיטת אריזונה
Wadhwa הוא חוקר במרכז הביו-עיצוב למנגנוני האבולוציה ועוזר פרופסור במחלקה לפיזיקה ב-ASU.
המחקר מופיע בכתב העת Journal of Bacteriology. המאמר נבחר על ידי כתב העת כבחירת עורך, מה שמדגיש את חשיבות המחקר.
טשטוש מונע בסוכר
כאשר חיידקים ניזונים מסוכרים כמו גלוקוז, מלטוז או קסילוזה, הם לפעמים פולטים תוצרי לוואי חומציים כמו אצטט ופורמט. תוצרי הלוואי הללו שואבים מים מפני השטח, ויוצרים זרמים שדוחפים את החיידקים החוצה. סוכרים מתסיסים חיוניים לתהליך זה – בלעדיהם, החיידקים לא יכולים לנוע בצורה כזו. סביבות עשירות בסוכר בגוף, כמו ריר, עשויות למעשה לעזור לחיידקים מזיקים להתפשט ולגרום לזיהום.
כאשר החוקרים הוסיפו למושבות מולקולות דמויות חומר ניקוי הידועות כפעילי שטח, החיידקים הפסיקו להתנדנד. לעומת זאת, פעילי שטח לא השפיעו על נחילות, צורת תנועה מתואמת, המונעת על ידי דגלים, המאפשרת לחיידקים להתפשט במהירות על פני משטחים לחים. זה מצביע על כך ששתי צורות התנועה משתמשות במנגנונים פיזיקליים שונים, וכי חומרים פעילי שטח שניתן להשתמש בהם כדי לדכא (או לשפר) באופן סלקטיבי את תנועת החיידקים, בהתאם לשאלה אם הם מתנדנדים או רוחשים.
לעובדה שחיידקים יכולים להתיישב במשטחים גם כשמכונות השחייה הרגילות שלהם פגומות יש השלכות חשובות על בריאות האדם. חיידקים מסוימים עשויים להתפשט על ידי דחיפה על פני צנתרים רפואיים, שתלים וציוד בית חולים. חסימת דגלים לבדה עשויה שלא להספיק כדי לעצור אותם. במקום זאת, ייתכן שנצטרך להפריע לתהליכים הכימיים שהם משתמשים בהם כדי להניע את התנועה הזו.
גם E. coli וגם סלמונלה עלולים לגרום למחלות הנישאות במזון. הידיעה שהם יכולים להתפשט על משטחים באמצעות זרימות נוזלים פסיביות עשויה לעזור לשפר את האופן שבו מפעלי עיבוד מזון מעצבים פרוטוקולי ניקוי. ומכיוון שהשטיפה תלויה בתסיסה ובתוצרי לוואי חומציים, אסטרטגיות שמשנות את ה-pH פני השטח או זמינות הסוכר עשויות להפחית את התיישבות חיידקים. המחקר הראה ששינויים פשוטים בחומציות היו מספיקים כדי לשנות את אופן תנועת החיידקים.
משהו דומה עשוי להתרחש גם בתוך הגוף, שם משטחים לחים כמו ריר מעיים, נוזלי פצעים או דרכי השתן יוצרים תנאים נוחים לחיידקים. במקומות אלה, חיידקים יכולים להשתמש בשטיפה כדי להתפשט גם כאשר הדגלים שלהם אינם פועלים היטב.
שינוי אסטרטגיות
במחקר שני, המחבר המקביל Abhishek Shrivastava ועמיתיו בחנו סוג של חיידקים הידועים בשם flavobacteria. שלא כמו E. coli, חיידקים אלה אינם שוחים; במקום זאת, הם מנווטים במשטחים סביבתיים ומשטחים הקשורים למארח באמצעות מכונה הנקראת מערכת הפרשה מסוג 9, או T9SS, המניעה מסוע מולקולרי.
בדרך כלל, ה-T9SS עוזר לחיידקים אלה לגלוש על פני משטחים. זה עושה זאת על ידי הזזת חגורה מצופה דבק מסביב לגוף התא, מושכת את החיידק קדימה כמו אופנוע שלג מיקרוסקופי. החוקרים גילו שחלבון מסוע בשם GldJ פועל כמו מחליף הילוכים, השולט בכיוון המנוע הסיבובי הזה.
אם חלק קטן מ-GldJ נמחק, המנוע הופך את הסיבוב שלו מנגד לכיוון השעון, מה שמשנה את אופן תנועת החיידקים. המחקר מתאר את מערך ההילוכים המולקולרי הזה בפירוט ומראה כיצד הוא מאפשר לחיידקים לכוונן את כיוון התנועה שלהם, ונותן להם יתרון אבולוציוני בניווט בסביבות מורכבות.
מעבר לאפשר תנועת חיידקים, ל-T9SS יש גם השלכות משמעותיות על בריאות האדם – משרת תפקידים מזיקים ומועילים כאחד, בהתאם לקהילה המיקרוביאלית. במיקרוביום הפה האנושי, חיידקים המכילים T9SS קשורים למחלות חניכיים, כאשר החלבונים המופרשים שלהם מעודדים דלקת בפה ובמוח, ותורמים להפרעות כמו מחלות לב ואלצהיימר. לעומת זאת, במיקרוביום של המעי, חלבונים המופרשים על ידי T9SS יכולים להגן על נוגדנים מפני פירוק, ובכך לחזק את החסינות ולשפר את היעילות של חיסונים דרך הפה.
הבנה כיצד פועלת תיבת ההילוכים הזו יכולה לעזור למדענים לתכנן דרכים לחסום חיידקים מליצור קהילות חיידקים רזים הידועות בשם ביופילם, לגרום לזיהומים ולזהם מכשירים רפואיים, אך גם לרתום את התכונות המועילות שלה כדי לקדם בריאות ולפתח טיפולי מיקרוביום ממוקדים.
"אנחנו מאוד נרגשים לגלות מערכת ננו-הילוכים דו-משימתית יוצאת דופן המשלבת מנגנון משוב, חושפת אופנוע שלג ביולוגי הניתן לשליטה ומראה כיצד חיידקים מכוונים במדויק את התנועתיות וההפרשה בסביבות דינמיות", אומר שריווסטבה. "בהתבסס על פריצת הדרך הזו, אנו שואפים כעת לקבוע מבנים ברזולוציה גבוהה של המסוע המולקולרי המדהים הזה כדי לדמיין, בדיוק אטומי, כיצד חלקיו הנעים משתלבים, מעבירים כוח ומגיבים למשוב מכני. פירוק העיצוב המורכב הזה לא רק יעמיק את ההבנה שלנו באבולוציה המיקרוביאלית אלא גם יעורר השראה לפיתוח טכנולוגיות ביולוגיות-מכונות מהדור הבא."
Shrivastava היא חוקרת במרכז הביו-עיצוב למיקרוביומיקה יסודית ויישומית, במרכז הביו-עיצוב למנגנוני האבולוציה, ועוזרת פרופסור בבית הספר למדעי החיים של ASU. המחקר מופיע בכתב העת mBio.
במבט ראשון, שתי התגליות – גלישה נוזלית והעברת הילוכים מולקולרית, נראות עולמות בנפרד. אבל הם חולקים נושא משותף: חיידקים פיתחו דרכים רבות ומפתיעות להתפשט. ככל שלחיידקים יש יותר אסטרטגיות, כך קשה יותר להכיל אותם.
הממצאים החדשים גם מדגישים את הצורך בחשיבה רעננה במאבק במחלות חיידקיות. גישות מסורתיות רבות התמקדו לעתים קרובות במיקוד דגלים. אבל כפי שמחקרים אלה מראים, חיידקים יכולים לעקוף את המגבלה הזו.
המחקר מצביע על כך ששליטה בסביבה החיידקית, כולל גורמים כמו רמות סוכר, pH וכימיה של פני השטח, עשויה להיות חשובה לא פחות כמו התמקדות בגנים חיידקיים. ושיבוש מכונות מולקולריות מרכזיות כמו תיבת ההילוכים T9SS יכולה למנוע מחיידקים לא רק לנוע אלא גם להפריש את החלבונים שהופכים אותם למסוכנים.
