Биопленки — это самая распространенная форма существования бактерий в природе. Микроорганизмы собираются в группы и прикрепляются друг к другу, образуя сообщество. Биопленки повсеместно встречаются в повседневной жизни и могут нести как пользу, так и вред. Один из самых ярких примеров биопленок — это известный многим чайный гриб. Кроме того, биопленки встречаются в организме человека, например, в ротовой полости, вызывая кариес, а также формируются на различных медицинских изделиях и устройствах.
Биопленки представляют собой наиболее устойчивые формы существования бактерий. В большинстве случаев они способны переживать обработку антимикробными средствами и беспрепятственно колонизировать медицинское оборудование. Помимо этого, эксплуатация любых приборов и устройств даже после многоступенчатой стерилизации протекает не в стерильных условиях, а значит, имеется риск бактериального заражения. Биопленки «разрастаются» и становятся причинами внутрибольничных инфекций — госпитальной пневмонии, заболеваний мочевыводящих путей и кровотока, которые мало восприимчивы к антимикробной терапии.
Научные сотрудники из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов) разработали новый метод для выявления бактериальных биопленок на поверхности различных медицинских изделий. Для решения данной задачи объединили усилия две лаборатории: биохимии и нанобиотехнологии.
Микроскопические изображения бактериальных биопленок после окрашивания флуоресцентными золотыми нанокластерами. Источник: Стелла Евстигнеева
«Для "подсвечивания" биопленок мы выбрали сравнительно недавно разработанные наноструктуры — флуоресцентные золотые нанокластеры. Одна из разновидностей данных нанокластеров представляет собой "светящуюся" (флуоресцентную) краску, которая способна не только взаимодействовать с биопленкой без дополнительных узнающих молекул, но и сохранять свое свечение при этом взаимодействии. Такие флуоресцентные нанокластеры очень легко получать в лаборатории без использования каких-либо токсичных органических веществ. Все вышеперечисленное выгодно отличает нанокластеры от других видов "светящихся" красок, которые применяются для визуализации разного рода биологических объектов», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Даниил Чумаков, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологии Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН.
По результатам исследования выяснилось, что «светящиеся» нанокластеры способны специфично связываться c биопленками различных бактерий, среди которых — сенная палочка Bacillus subtilis и кишечная палочка Escherichia coli. Данное наблюдение позволило ученым разработать систему для количественной детекции биопленок на основе золотых нанокластеров. Чувствительность этого подхода в 10 раз превысила чувствительность стандартного метода детекции биопленок на основе кристаллического фиолетового, который используется в клинической практике. Разработанный подход оказался применим для обнаружения биопленок на самых разных поверхностях, включая покровные стекла, пробирки и урологические силиконовые катетеры.
Команда исследователей также изучила взаимодействие золотых нанокластеров с биопленками на молекулярном уровне. Выяснилось, что нанокластеры способны связываться с белками матрикса биопленок и с некоторыми полисахаридами. В частности, авторы обнаружили прочное связывание нанокластеров с липополисахаридами, входящими в состав биопленок бактерий Azospirillum baldaniorum.
Моделирование связывания золотых нанокластеров с мишенями в матриксе бактериальных биопленок (с белками слева, с липополисахаридами справа). Источник: Стелла Евстигнеева
В перспективе подобная «светящаяся» детекция бактериальных биопленок позволит упростить диагностику различных инфекций, связанных с медицинскими изделиями и устройствами, и внесет существенный вклад в развитие современной медицины.
«Главная задача этого метода — вовремя обнаружить биопленку, которая только начинает "заселять" медицинское устройство. А затем предотвратить распространение патогенных бактерий с помощью дезинфекции или замены изделия. В перспективе мы планируем создать нанокластеры, способные не только визуализировать биопленки, но и одновременно их обезвреживать», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Стелла Евстигнеева, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН.
