سوپر پلیمرها توسط باکتری های روده برای دفع آنتی بیوتیک ها استفاده می شود

این کشف نشان می دهد که چرا مقابله با باکتری های مقاوم به دارو می تواند بسیار دشوار باشد، اما یک راه ممکن برای مقابله با این مشکل فراهم می کند. ساختارهای سوپر پلیمری که باکتری ها برای انتقال ژن ها استفاده می کنند، می توانند برای تحویل دقیق دارو در پزشکی آینده نیز مورد استفاده قرار گیرند.

باکتری های روده زائده های خارج سلولی به نام F-pili را تشکیل می دهند تا به یکدیگر متصل شوند و بسته هایی از DNA به نام ژن را منتقل کنند که به آنها اجازه می دهد در برابر آنتی بیوتیک ها مقاومت کنند. تصور می شد که شرایط سخت داخل روده انسان و حیوان، از جمله تلاطم، گرما و اسیدها، F-pili را می شکند و انتقال را دشوارتر می کند.

با این حال، تحقیقات جدید توسط تیمی به سرپرستی محققان کالج امپریال لندن نشان داده است که F-pili در این شرایط در واقع قوی‌تر است و به باکتری‌ها کمک می‌کند تا ژن‌های مقاومت را به طور مؤثرتر انتقال دهند و به «بیوفیلم‌ها» – کنسرسیوم‌های باکتریایی محافظ – که کمک می‌کنند، بپیوندند. آنها آنتی بیوتیک ها را دفع می کنند.

نتایج در منتشر شده است ارتباطات طبیعت.

انتظار می رود که تعداد مرگ و میر ناشی از مقاومت ضد میکروبی تا سال 2050 با سرطان برابری کند، به این معنی که برای مبارزه با این روند نیاز فوری به استراتژی های جدید داریم. بخش اعظم گسترش مقاومت ناشی از تعویض ژن‌های باکتری است، بنابراین درک دقیق این فرآیند می‌تواند منجر به راه‌های جدیدی برای قطع آن شود.»

Jonasz Patkowski، نویسنده اول، گروه علوم زندگی، امپریال کالج لندن

نه چندان شکننده

طبقات مختلف باکتری ها از انواع مختلف پیلی برای انتقال ژن ها در فرآیندی به نام کونژوگاسیون استفاده می کنند. به نظر می‌رسید یک آزمایش کلاسیک نشان می‌دهد که این فرآیند شکننده است و می‌تواند با تحریک مختل شود، اما این یک راز باقی گذاشت: چرا بسیاری از باکتری‌هایی که در شرایط سخت مانند روده زندگی می‌کنند از این سیستم‌ها استفاده می‌کنند، اگر آن‌قدر شکننده هستند؟

بنابراین تیم تصمیم گرفت تا این فرض را آزمایش کند. با تکان دادن E. coli باکتری‌ها در حالی که از F-pili در طول کونژوگه استفاده می‌کردند، متوجه شدند که تحریک در واقع کارایی انتقال ژن را بین باکتری‌ها افزایش می‌دهد. آنها همچنین مشاهده کردند که پس از انتقال ژن‌ها، باکتری‌های مزدوج در شرایط تکان‌خورده راحت‌تر به هم چسبیده و بیوفیلم‌هایی را تشکیل می‌دهند که از باکتری‌های داخلی در برابر مولکول‌های آنتی‌بیوتیک اطراف محافظت می‌کنند.

برای تعیین اینکه چگونه F-pili قادر به انجام این کار است، تیم آنها را با نصب یک باکتری روی یک صحنه، اتصال یک مهره شیشه ای با استفاده از “موچین مولکولی” به انتهای یکی از F-pili های آن، تحت یک آزمایش قدرت قرار دادند. کشیدن F-pili دارای خاصیت ارتجاعی بسیار بالایی بود، با خواص فنر مانند که از شکستن آنها جلوگیری می کرد.

آنها همچنین توانایی F-pili را برای مقاومت در برابر سایر شرایط معمول روده آزمایش کردند، آنها را در معرض هیدروکسید سدیم، اوره و دمای بیش از حد بالای 100 درجه سانتیگراد قرار دادند – همه آنها F-pili زنده ماند.

خواص مولکولی

سپس تیم یک گام فراتر رفت و به F-pili در سطح مولکولی نگاه کرد تا ببیند چه چیزی این ویژگی های باورنکردنی را به آنها می دهد. آنها در درجه اول از “زیر واحد” F-pilin با مولکول های فسفولیپید به هم پیوسته ساخته شده اند.

با مدل سازی F-pili بدون فسفولیپیدها، تیم نشان داد که این مولکول ها چقدر برای فنری بودن و استحکام کشسانی ساختار مهم هستند. تکرار آزمایش کشش نشان داد که زیرواحدها به سرعت بدون حمایت فسفولیپیدها از هم جدا می شوند و نقش جدید آنها را به عنوان یک “چسب مولکولی” در بیوپلیمرهای بلند ثابت می کند.

محقق ارشد دکتر تیاگو کوستا، از دپارتمان علوم زیستی در امپریال، گفت: “ساخت F-pili از نظر منابع و انرژی برای باکتری ها بسیار پرهزینه است، بنابراین جای تعجب نیست که ارزش تلاش را داشته باشند. ما نشان داده ایم که چگونه F. پیلی گسترش مقاومت آنتی بیوتیکی و تشکیل بیوفیلم را در محیط های آشفته سرعت می بخشد، اما چالش در حال حاضر یافتن راه هایی برای مبارزه با این فرآیند بسیار کارآمد است.

اگرچه شکستن F-pili در باکتری‌های بیماری‌زا مفید است، اما اگر بتوانیم آنها را برای استفاده در دارورسانی مهندسی کنیم، خواص آنها می‌تواند مفید باشد. پاتکووسکی توضیح داد: یافتن یک زائده لوله‌ای با چنین خواص قوی سخت است. باکتری‌ها از آن برای انتقال ژن‌ها استفاده می‌کنند، اما اگر بتوانیم این ویژگی‌ها را تقلید کنیم، می‌توانیم از ساختارهای مشابه برای رساندن دقیق داروها به جایی که در بدن مورد نیاز است استفاده کنیم.