Бактерии двигаются к источнику антибиотика в самоубийственной атаке

В ходе терапии бактериальные биопленки часто испытывают влияние резкого градиента концентраций антибиотиков. Схожий градиент могут формировать противомикробные вещества, производимые конкурирующими микроорганизмами. В ответ бактерии приобрели свойства, которые помогают им детектировать и отвечать на токсины. Например, они могут сами начать вырабатывать бактериоцины и антибиотики для встречной атаки микроорганизмов-конкурентов или попытаться защититься, формируя биопленки.

Один из важнейших физиологических ответов бактерии — это хемотаксис. Исследователи из Великобритании предположили, что при наличии градиента антибиотика бактерии двигаются от их источника, что способствует их выживанию. Однако опыты показали, что это не так — бактерии двигаются к источнику антибиотика, что приводит к их гибели. Вероятно, бактерии реагируют так, как будто бы источником антибиотика была колония микроорганизмов-конкурентов, которую можно атаковать.

В качестве модели авторы использовали оппортунистический патоген Pseudomonas aeruginosa, способный к перемещению за счет пилей. В микрожидкостном устройстве они создали градиент антибиотика ципрофлоксацина. Максимальная концентрация антибиотика была в десять раз выше, чем минимальная ингибирующая концентрация (MIC). Примерно пять часов бактерии двигались беспорядочно, однако после этого неожиданно начинали двигаться в сторону увеличения концентрации антибиотика. То же самое происходило и в других градиентах, где максимум был выше MIC.

Бактерии были способны входить в области с очень высокими концентрациями ципрофлоксацина (до 1000 раз больше MIC), где они сохраняли способность двигаться до конца эксперимента. Опыт повторили на других штаммах P. aeruginosa и с другими антибиотиками с разными механизмами действия. Эффект наблюдался на всех антибактериальных веществах кроме бета-лактамов. При концентрациях антибиотика ниже MIC движение бактерий не менялось.

Направленное движение бактерий начинается только через пять часов после создания градиента. Авторы предположили, что за это время нутриенты и другие вещества, выпускаемые бактериями, создают свои градиенты, по которым и двигаются бактерии.

Чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, авторы создали два противоположных градиента антибиотика и нутриента. Действительно, изначально бактерии двигались по направлению к источнику нутриента, однако через пять часов замедлялись, а через 7,5 часов начинали двигаться в сторону повышения концентрации антибиотика, то есть в обратную сторону. Таким образом, движение бактерий в градиенте антибиотиков не зависело от градиента нутриентов. Накопление в среде факторов, выпускаемых клетками, также не могло объяснить подобный хемотаксис. То есть бактерии двигались именно в ответ на антибиотик.

Авторы проверили, что происходит с клетками, попавшими в области с высокими концентрациями антибиотиков — они выживают и приобретают резистентность или погибают? Бактерии, изолированные из таких областей, не могли формировать колонии в среде без антибиотика, они не были жизнеспособны. То есть клетки, следующие за градиентом антибиотика, в конце концов умирают.

Исследователи предположили, что бактерии просто повторяют поведение, характерное для них в природе — двигаются навстречу колонии бактерий-конкурентов. На супернатантах разных штаммов P. aeruginosa они показали, что бактерии двигаются к источнику токсичного супернатанта. Предположительно, это позволяет атаковать конкурентные микроорганизмы и захватывать их территории. Если эта гипотеза верна, то в конце своего пути P. aeruginosa должны выпустить противомикробные вещества. Действительно, многие клетки экспрессировали пиоцины и подвергались взрывному лизису. Согласно полученным данным, бактерии эволюционировали таким образом, чтобы подбираться к источнику токсичных веществ и выпускать свои бактериоцины, то есть направлять контратаку против микроорганизмов-конкурентов.

Для раковых клеток описан обратный дуротаксис