Potencjał D-asparaginianu w redukcji biofilmu i quorum sensing bakterii Pseudomonas aeruginosa w mukowiscydozie
Pseudomonas aeruginosa (pałeczka ropy błękitnej) jest bakterią Gram-ujemną, odpowiedzialną za znaczną część zakażeń szpitalnych, szczególnie u pacjentów z obniżoną odpornością oraz chorych na mukowiscydozę (CF). W infekcjach płucnych u pacjentów z CF, bakteria ta tworzy biofilmy, które są szczególnie odporne na leczenie antybiotykami. W ostatnich latach zainteresowanie wzbudzają aminokwasy D, które wykazują właściwości przeciwdziałające powstawaniu biofilmów bakteryjnych, a ich potencjał terapeutyczny pozostaje obszarem intensywnych badań.
W pracy opublikowanej w czasopiśmie „Scientific Reports” (wydawnictwo Nature) przez zespół naukowców z Beckman Institute for Advanced Science and Technology oraz Institute of Genomic Biology Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign w USA (Joenisse M. Rosado-Rosa, Dharmeshkumar Parmar, Stanislav S. Rubakhin, Joshua D. Shrout, Jonathan V. Sweedler) analizowano wpływ wybranych aminokwasów D na produkcję biofilmu oraz cząsteczek quorum sensing przez dwa szczepy Pseudomonas aeruginosa – PAO1oraz FRD1 (szczep izolowany od pacjenta z CF).
Opis badań i metodyka
Badania przeprowadzono w warunkach imitujących środowisko panujące w drogach oddechowych pacjentów z mukowiscydozą, wykorzystując syntetyczną pożywkę (SCFM3), odzwierciedlającą skład chemiczny śluzu CF. Oceniano wpływ sześciu aminokwasów D (D-alaniny, D-asparaginianu, D-tyrozyny, D-glutaminianu, D-seryny i D-proliny) na wzrost populacji bakteryjnej, masę biofilmu oraz produkcję cząsteczek sygnalizacyjnych quorum sensing.
Ponadto użyto innowacyjnej metody obrazowania spektrometrii mas (MSI) do oceny przestrzennego rozmieszczenia wtórnych metabolitów produkowanych przez Pseudomonas aeruginosa w tkankach płucnych szczurów.
Wpływ aminokwasów D na wzrost bakterii
W warunkach CF większość aminokwasów D nie wpływała istotnie na wzrost populacji bakteryjnej. Wyjątkiem były D-alanina i D-prolina, które zwiększały liczbę bakterii u szczepu FRD1 w określonych punktach czasowych. Liczba bakterii pozostała wysoka (≥10^8 CFU/ml), co sugeruje, że aminokwasy D nie wpływają bezpośrednio na zmniejszenie liczebności populacji, a raczej modulują inne aspekty infekcji bakteryjnej.
Produkcja biofilmu
Najbardziej znaczące wyniki dotyczyły D-asparaginianu (D-Asp). Ten aminokwas powodował wyraźne obniżenie biomasy biofilmu zarówno dla szczepu PAO1 (redukcja o około 55%) jak i FRD1 (redukcja do 97,5%) w porównaniu z kontrolą zawierającą aminokwasy L. Przeciwne efekty zaobserwowano dla D-glutaminianu, który istotnie zwiększał biomasę biofilmu (około 70% dla obu szczepów) oraz D-seryny, która powodowała umiarkowany wzrost biomasy biofilmu.
Wpływ aminokwasów D na produkcję cząsteczek quorum sensing i metabolitów
Metodą MSI stwierdzono, że w obecności D-asparaginianu dochodziło do znaczącego obniżenia poziomu cząsteczek quorum sensing, zwłaszcza sygnału chinolonowego (PQS), a także ramnolipidów (RHL) i fenazyn, szczególnie piocyjaniny (PYO). Odwrotnie, D-seryna powodowała wzrost produkcji tych cząsteczek. Sugeruje to, że D-Asp może działać antybiofilmowo, modulując quorum sensing i zmniejszając patogenność Pseudomonas aeruginosa.
Dodatkowo zaobserwowano różnice między płciami w poziomie wtórnych metabolitów w tkankach płucnych, co może mieć związek z wcześniej opisywanym większym nasileniem infekcji u kobiet.
Wpływ pH na działanie D-asparaginianu
Badanie ujawniło, że działanie D-asparaginianu na redukcję biofilmu zależy od pH środowiska. W środowisku lekko zasadowym (pH=7,9) obserwowano wzrost biomasy biofilmu, natomiast kwaśne warunki (pH=6,5) odpowiadające typowym dla CF, sprzyjały formacji biofilmu, częściowo osłabiając efekt terapeutyczny D-asparaginianu.
Badania wskazują, że wybrane aminokwasy D, szczególnie D-asparaginian, mają potencjalne zastosowanie w terapii zakażeń Pseudomonas aeruginosa u pacjentów z CF poprzez zakłócenie produkcji biofilmu oraz zmniejszenie aktywności quorum sensing. Jednakże wyniki wymagają dalszej weryfikacji w warunkach klinicznych i badań z udziałem pacjentów, szczególnie z uwagi na złożone interakcje środowiska CF i różnice międzypłciowe.
Źródło: Scientific Reports, nr 15:25328, D-Amino acids affect Pseudomonas aeruginosa biofilm and quorum sensing molecules in lung infection models developed under a cystic fibrosis environment
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10519-8
