Ученые показали, как бактерии «чувствуют» поверхность с помощью флуоресцентного зонда

Бактерия на поверхности. Автор: Generated with CHATGPT

В естественных условиях бактерии редко существуют как свободноплавающие клетки — обычно они прикрепляются к поверхностям, образуя биопленки на медицинских устройствах, телефонах или человеческих тканях. Поведение бактерий, то, как они прикрепляются, растут, группируются или выделяют соединения, скрепляющие биопленку, зависит от их механического взаимодействия с поверхностью.

Понимание взаимодействий бактерий с поверхностями крайне важно для борьбы с образованием биопленок, разработки антибактериальных материалов и совершенствования биосенсорных технологий. Однако лежащие в основе этого биомеханические механизмы до сих пор оставались малоизученными. То, как бактерии «ощущают» и реагируют на поверхности, может оказывать profound влияние на их физиологию.

Исследователи под руководством доктора Кристины Флорс из IMDEA Nanociencia (Мадрид, Испания) разработали новый метод визуализации и количественной оценки механического напряжения, которое испытывают бактериальные мембраны при контакте с поверхностями. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Используя микроскопию с визуализацией времени жизни флуоресценции (FLIM) и механочувствительный флуоресцентный зонд Flipper-TR, команда смогла измерить subtle вариации натяжения мембран у живых бактерий, взаимодействующих с различными материалами. Этот инновационный метод предоставляет прямое «окно» в физические силы, действующие на границе бактерии с поверхностью.

Зонд Flipper-TR — это коммерчески доступный флуоресцентный репортер, который специфически связывается с мембраной клеток, а время жизни его свечения отражает изменения мембранного натяжения. Зонд состоит из двух молекул — дитиенотиофеновых фрагментов, которые становятся плоскими при сжатии внутри бактериальной мембраны и скручиваются при снятии натяжения, что приводит к изменениям времени жизни флуоресценции.

Ранее Flipper-TR в основном использовался в исследованиях на клетках млекопитающих, и до сих пор существовало лишь несколько отчетов о его применении для бактерий из-за экспериментальных сложностей.

Теперь же команда из IMDEA Nanociencia показала, что этот зонд подходит для бактериальных модельных систем. Более того, они продемонстрировали, что он достаточно чувствителен, чтобы различать контакт бактерий с поверхностями, обладающими различными адгезивными и топологическими свойствами.

Исследование демонстрирует, что Flipper-TR успешно окрашивает как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии и может четко различать, как их мембраны реагируют на различные поверхности и наноструктуры. Различия во времени жизни флуоресценции выявляют различные механизмы адгезии и даже позволяют обнаружить растяжение мембраны, когда бактерии помещают на наноструктурированные, механо-бактерицидные субстраты.

Эти открытия прокладывают путь к пониманию того, как механические сигналы влияют на физиологию бактерий, и предлагают принципы проектирования био-интерактивных материалов, которые либо препятствуют, либо способствуют бактериальной адгезии. Это имеет потенциальное применение в здравоохранении, биотехнологии и материаловедении.

Больше информации: M. Carmen Gonzalez-Garcia et al, Exploring bacteria–surface interactions with a fluorescent membrane tension probe, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2512977122

Источник: IMDEA Nanociencia