I biologi della Columbia University hanno rivelato un meccanismo mediante il quale le cellule batteriche sono affollate, gli ambienti privi di ossigeno accedono all'ossigeno per la produzione di energia, garantire la sopravvivenza della cellula. La scoperta potrebbe spiegare come alcuni batteri, come Pseudomonas aeruginosa ( P. aeruginosa ), sono in grado di prosperare in ambienti poveri di ossigeno come i biofilm e resistere agli antibiotici.

" P. aeruginosa le infezioni da biofilm sono una delle principali cause di morte per le persone affette da fibrosi cistica, una condizione genetica che colpisce i polmoni e l'apparato digerente, ", ha affermato il principale investigatore Lars Dietrich, professore associato di scienze biologiche. "Una comprensione dei percorsi che contribuiscono alla sopravvivenza e alla virulenza di P. aeruginosa e altri batteri in grado di esistere in ambienti affamati di ossigeno potrebbero informare gli approcci terapeutici per molti di questi e altri pazienti immunocompromessi".

Lo studio appare questa settimana sulla rivista eLife .

I batteri raramente vivono da soli come organismi unicellulari. La maggior parte invece cresce in comunità, sfruttando la forza dei numeri per formare un biofilm con proprietà simili a un tessuto simile a un'impalcatura che serve a fortificare la comunità, portandolo a 1, 000 volte più resistente alla maggior parte degli antibiotici.

Ogni singola cellula deve da sola estrarre dal cibo gli elettroni che vengono poi trasportati lungo la membrana cellulare fino a raggiungere una molecola di ossigeno. L'energia rilasciata durante questo processo metabolico viene utilizzata per sostenere la vita. Poiché le comunità di batteri continuano a crescere e a formare un biofilm, però, possono diventare sovraffollati, creando un ambiente in cui ogni cellula deve competere per i nutrienti e l'ossigeno limitati per sopravvivere.

La ricerca ha dimostrato che alcuni batteri, Compreso P. aeruginosa , hanno sviluppato diverse strategie per rispondere e far fronte alle condizioni di basso contenuto di ossigeno nei biofilm. Le comunità di batteri possono, Per esempio, modificare la struttura complessiva del biofilm in modo che il suo rapporto superficie-volume sia più elevato e una proporzione maggiore delle cellule all'interno sia in grado di accedere all'ossigeno dall'esterno. P. aeruginosa può anche produrre molecole chiamate fenazine, che aiutano a trasportare gli elettroni dall'interno all'esterno della cellula e infine all'ossigeno disponibile a distanza. Un'altra strategia è quella di creare versioni alternative di ossidasi terminali, enzimi nella membrana che trasferiscono gli elettroni all'ossigeno, che utilizzano l'ossigeno in modo più efficiente o sono più bravi a eliminare l'ossigeno quando la sua concentrazione è bassa. Sebbene siano stati condotti numerosi studi per esaminare l'importanza di questi enzimi e strategie per P. aeruginosa crescita, sono stati in gran parte condotti in colture liquide ben ossigenate in laboratorio. quando P. aeruginosa infetta un ospite reale, come un essere umano, spesso cresce come un biofilm e incontra condizioni molto diverse.

Con il finanziamento federale del National Institutes of Health e della National Science Foundation, Dietrich, primo autore Jeanyoung Jo, e i loro colleghi hanno cercato di capire meglio se le ossidasi terminali specifiche sono importanti per P. aeruginosa metabolismo nelle comunità di biofilm, come le fenazine possono compensare bassi livelli di ossigeno, e come queste strategie adattate possono contribuire a P. aeruginosa la capacità di causare infezioni.

Hanno scoperto che la catena di trasporto degli elettroni così critica per la conversione degli elettroni in energia può e sta operando in profondità nel biofilm privo di ossigeno e che in questi ambienti, il batterio dipende da una parte specifica dell'ossidasi terminale della catena - una proteina chiamata CcoN4 - per accedere all'ossigeno e crescere normalmente. Le cellule prive di questa proteina non sopravvivono così come le cellule con essa ei ricercatori ritengono quindi che CcoN4 contribuisca alla virulenza del batterio. Hanno anche scoperto che CcoN4 svolge un ruolo nell'utilizzo ottimale delle fenazine all'interno dei biofilm. Sebbene in precedenza sia stato dimostrato che queste fenazine compensano metabolicamente le condizioni di basso contenuto di ossigeno in P. aeruginosa biofilm, il meccanismo che permetteva ciò era rimasto un mistero scientifico.

"Questo batterio è un maestro nel trovare diverse strategie per accedere all'ossigeno, " Ha detto Dietrich. "Sapevamo che le fenazine erano coinvolte e che in qualche modo stavano aiutando la cellula a ottenere ossigeno, ma non sapevamo come. Sembra che provengano dalla catena di trasporto degli elettroni. È una rivelazione importante. Sappiamo che le cellule batteriche hanno modi diversi di metabolizzare l'energia in ambienti ricchi di ossigeno, ma per molto tempo non siamo riusciti a capire come lo facessero quando l'ossigeno è di difficile accesso".

I risultati potrebbero avere grandi implicazioni per il trattamento di P. aeruginosa infezioni da biofilm, come comprensione dei percorsi che contribuiscono a P. aeruginosa la sopravvivenza e la virulenza potrebbero informare gli approcci terapeutici per i pazienti. Sviluppo di terapie che bloccano le ossidasi terminali contenenti CcoN4, Per esempio, indebolirebbe il batterio e la sua capacità di causare infezioni.

"Stiamo iniziando a capire sempre di più come le cellule siano in grado di sopravvivere in circostanze piuttosto orribili, " Ha detto Dietrich. "Stiamo capendo il meccanismo. Ora possiamo iniziare a cercare modi per chiudere questo processo".