ბაქტერიები, მიუხედავად იმისა, რომ ერთუჯრედიანი ორგანიზმებია, ჯგუფური თანაცხოვრებისას რთულ, კოორდინირებულ სტრუქტურებს – ბიოაპკებს ქმნიან. ბიოაპკებში შემავალი უჯრედები ახდენენ შრომის გადანაწილებას, სინქრონიზდებიან და უფრო მეტად მრავალუჯრედიან ქსოვილს ემსგავსებიან, ვიდრე დამოუკიდებელ უჯრედთა გროვას. თუმცა, ეს კოლექტიური სტრატეგია ორლესილი მახვილია: როდესაც გარემოში საკვები ნივთიერებების დეფიციტი იწყება, რესურსების ნაკლებობამ შესაძლოა მთელი ბიოფილმის შიმშილით სიკვდილი გამოიწვიოს.
სან-დიეგოს კალიფორნიის უნივერსიტეტის მკვლევრებმა, გიუროლ სუელის ხელმძღვანელობით, კოლექტიური სიკვდილის ამ მექანიზმების შესწავლისას სრულიად მოულოდნელ ფენომენს მიაგნეს. ნაშრომში, რომელიც ავტორიტეტულ სამეცნიერო ჟურნალში Nature Microbiology გამოქვეყნდა, აღწერილია, თუ როგორ ახერხებს ბიოფაპკი კოლონიის სრულ განადგურებამდე შიდა უჯრედების ნაწილის მექანიკურ ევაკუაციას. ბიოაპკი ერთგვარ “საევაკუაციო კაფსულას” ქმნის, საიდანაც მოძრავი ბაქტერიები გარეთ გამოიტყორცნებიან, რათა გადარჩნენ და ახალი კოლონიები დააფუძნონ.
დიდი ხნის განმავლობაში მიიჩნეოდა, რომ ბიოაპკის დისპერსია (დაშლა) ექსკლუზიურად ენზიმურ (ფერმენტულ) პროცესებზე იყო დამოკიდებული, რა დროსაც გარესკრეტული ფერმენტები შლიან უჯრედგარე მატრიქსს და უჯრედები თავისუფლდებიან. თუმცა, Bacillus subtilis-ის მოდელზე ჩატარებულმა მიკროფლუიდურმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ბიოაპკს შეუძლია გამოიყენოს სრულიად ალტერნატიული, ანიზოტროპული (ლოკალურად მიმართული) მექანიკური ძალა.
შიმშილის ან სტრესის საპასუხოდ, ბიოაპკის ცენტრში მდებარე მოძრავი (motile) უჯრედები იწყებენ სპეციფიკური პოლიმერის – პოლი-გამა-გლუტამინის მჟავის (გამა-PGA) სინთეზს. გამა-PGA თავისი ბუნებით არის პოლიელექტროლიტური ჰიდროგელი, რომელსაც წყლის უზარმაზარი მოცულობის შთანთქმა შეუძლია. წყლის აბსორბციისას ჰიდროგელი მკვეთრად ფართოვდება (შუპდება), რაც წარმოქმნის მძლავრ ოსმოსურ წნევას. ეს ფიზიკური ძალა შიგნიდან არღვევს ბიოაპკის გარე, მჭიდროდ შეკრულ მატრიქსულ ფენებს და უჯრედების მასას გარემოში მექანიკურად გამოტყორცნის.
საინტერესოა, რომ ბიოლოგიურ სამყაროში gamma-PGA-ის მეშვეობით ძალისმიერი ევაკუაციის მსგავსი მექანიზმი აქამდე მხოლოდ ევოლუციურად შორს მყოფ ზღვის ორგანიზმებში, კერძოდ, ნაწლავღრუიანებში (მაგ. მედუზებში) იყო აღწერილი, რომლებიც ამ პოლიმერს ნემატოცისტებიდან (სამწარე უჯრედებიდან) ძაფის გამოსატყორცნად იყენებენ.
კვლევამ აჩვენა, რომ ამ ბიოფიზიკური პროცესის მანიპულირება როგორც ქიმიური, ისე გენეტიკური გზებით არის შესაძლებელი:
-
ოსმოსური დათრგუნვა: როდესაც მკვლევრებმა ზრდის არეში დაამატეს ნეიტრალური მუხტის მქონე ოსმოლატი სორბიტოლი (500 mM), მან კონკურენცია გაუწია ბაქტერიულ ჰიდროგელს წყლის მოლეკულებისთვის. შედეგად, გამა-PGA-ის შეშუპება შეფერხდა და ლოკალური დისპერსია სრულად დაიბლოკა.
pH-მოდულაცია და ელექტროსტატიკური განზიდვა: pH 7 პირობებში გამა-PGA-ის კარბოქსილის ჯგუფები დეპროტონირებულია. უარყოფითი მუხტების ურთიერთგანზიდვა იწვევს ჰიდროგელის გაფართოებას და უჯრედების ბიოაპკიდან გამოდევნას. ხოლო გარემოს pH 4-მდე დამჟავებისას, კარბოქსილის ჯგუფები პროტონირდება, მუხტი ნეიტრალდება და პოლიმერები მჭიდროდ კომპაქტავდება (ბიოაპკი იკუმშება). კვლევამ აჩვენა, რომ ბიოაპკის დინამიკური გაფართოება-შეკუმშვა გარემო pH-ის ცვლილებით პირდაპირ კონტროლდება.
ბიოაპკები თანამედროვე მედიცინის ერთ-ერთ უდიდეს გამოწვევას წარმოადგენს, რადგან მათი მჭიდრო უჯრედგარე მატრიქსი ბარიერს ქმნის ანტიბიოტიკებისთვის და ქრონიკულ, მედეგ ინფექციებს იწვევს.
მათემატიკურ მოდელირებაზე დაყრდნობით, მეცნიერებმა შექმნეს Bacillus subtilis-ის გენეტიკურად მოდიფიცირებული შტამი (Phyp-capBCAE), რომელიც ჩვეულებრივზე ოთხჯერ მეტ გამა-PGA-ს გამოიმუშავებს. შედეგი აღმოჩნდა ზუსტად ისეთი, როგორიც მოდელმა იწინასწარმეტყველა: ჰიდროგელის ჭარბმა სინთეზმა გამოიწვია ბიოაპკის შიდა სტრუქტურის სრული დესტაბილიზაცია. ბიოაპკი ერთიანობის შენარჩუნების ნაცვლად დაიშალა იზოლირებულ, ფრაგმენტირებულ უჯრედულ კლასტერებად, რომლებიც გარემო ნაკადმა მარტივად ჩამოირეცხა. კოლონიის ამგვარი ხელოვნური რღვევა გზას უხსნის ანტიბიოტიკებს, რათა მათ მარტივად შეაღწიონ და გაანადგურონ ადრე მიუწვდომელი პათოგენები ტოქსიკური ქიმიკატების გამოყენების გარეშე.
წყარო: Nature Microbiology
