Biofilmy to skupiska bakterii i innych organizmów, budzące obawy w medycynie i innych dziedzinach, ponieważ mogą zawierać patogeny i wykazują dużą oporność na leczenie. Chemicy z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie (HHU), we współpracy z kolegami z Monachium i Groningen, zbadali, w jaki sposób patogen Pseudomonas aeruginosa eksportuje na zewnątrz komórki polisacharyd „Pel” – kluczowy składnik wielu biofilmów. Na łamach czasopisma Nature Communications opisali strukturę tzw. kompleksu eksportowego PelBC, który stanowi ostatni etap przed wydaleniem „Pel” z komórki.
Biofilmy bakteryjne – oporne, złożone społeczności
Biofilmy bakteryjne to powszechne agregaty komórek, które zapewniają mikroorganizmom przetrwanie w trudnych warunkach środowiskowych i są wyjątkowo odporne na działanie czynników mechanicznych i chemicznych. Stanowią zagrożenie dla zdrowia człowieka, zwłaszcza gdy pokrywają powierzchnie wyrobów medycznych lub są obecne w przemyśle spożywczym, gdzie mogą kolonizować je szkodliwe drobnoustroje.
Biofilmy umożliwiają bakteriom wymianę informacji genetycznej, co ułatwia im rozwój oporności na antybiotyki – oporne szczepy mogą bowiem przekazywać geny oporności innym gatunkom. Ułatwiają także przyswajanie składników odżywczych.
Kluczowa rola Pseudomonas aeruginosa
Szczególnie istotne jest poznanie mechanizmów powstawania biofilmów tworzonych przez patogenne bakterie. Grupa badawcza „Synthetic Membrane Systems” pod kierownictwem prof. dra Alexeja Kedrova (HHU) we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana (LMU) w Monachium oraz Uniwersytetu w Groningen skoncentrowała się na bakterii Pseudomonas aeruginosa. Patogen ten wywołuje m.in. zapalenie płuc, zakażenia układu moczowego oraz zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych, jest oporny na wiele antybiotyków i stanowi klasyczny „zarazek szpitalny”.
Prof. Kedrov wyjaśnia: „Aby tworzyć biofilmy, bakterie syntetyzują i eksportują różne biopolimery, przede wszystkim polisacharydy – specyficzne łańcuchy cukrowe. Pomimo dekad badań, wiedza o mechanizmie ich syntezy i transportu jest ograniczona. Skupiliśmy się na polisacharydzie ‘Pel’, produkowanym przez P. aeruginosa.”
Produkcja Pel wymaga udziału kompleksu białkowego złożonego z wielu podjednostek, który przebiega przez dwie błony komórkowe. „Dotąd nie znaliśmy ani jego struktury, ani dynamiki działania. Dzięki mikroskopii krioelektronowej udało się nam odtworzyć strukturę kompleksu PelBC w błonach lipidowych i prześledzić ścieżkę transportu Pel” – mówi prof. Kedrov.
Nowe szczegóły struktury eksportera Pel
Główny autor badania, Marius Benedens, dodaje: „Nasze badania pokazują, jak natura wykorzystuje oddziaływania elektrostatyczne do tworzenia kompleksu eksportowego i umożliwienia transportu polisacharydu. Aby komórka przeżyła, por nie może jednak pozostawać stale otwarty – konieczna jest niewielka zmiana konformacyjna końcowej części poru, czyli swoista ‘mikrobramka’.”
Z punktu widzenia potencjalnych zastosowań, prof. Kedrov zauważa: „To fascynujące móc zobaczyć zorganizowaną strukturę białkową w takiej szczegółowości. Przykładowo, pokazuje to, jak natura rozwiązuje problemy projektowania białek – jak połączyć symetryczny pierścień podjednostek PelC z asymetrycznym kanałem PelB. Nasze wyniki mogą w przyszłości pozwolić na celowe zablokowanie eksportu Pel i tym samym zahamowanie formowania się biofilmu.”
Kolejny krok: badanie kompleksu syntetyzującego Pel
W następnym etapie badacze planują dokładniejsze przyjrzenie się całemu procesowi eksportu. Zamierzają też szczegółowo zbadać inny kompleks białkowy, odpowiedzialny za syntezę Pel w cytoplazmie komórki oraz jego transport przez wewnętrzną błonę.
Oryginalna publikacja:
Marius Benedens, Cristian Rosales-Hernandez, Sabine A. P. Straathof, Jennifer Loschwitz, Otto Berninghausen, Giovanni Maglia, Roland Beckmann & Alexej Kedrov.
Assembly and the gating mechanism of the Pel exopolysaccharide export complex PelBC of Pseudomonas aeruginosa.
Nature Communications 16:5249 (2025).
DOI: 10.1038/s41467-025-60605-8
