С помощью зонда: светящаяся молекула-шпион визуализирует жизнь бактерий

Как новая технология поможет в создании эффективных антибиотиков

Российские ученые синтезировали органическое соединение, которое может проникать в бактериальные клетки, не разрушая их естественную среду обитания, — биопленку. При этом этот молекулярный «зонд» обладает способностью светиться, что дает возможность специалистам увидеть процессы, происходящие в «поселениях» микроорганизмов. По словам экспертов, технология позволит понять, как действуют антибиотики в природных условиях, и поможет решить проблему резистентности микробов к лекарствам.

Светящийся молекулярный зонд

Специалисты ЮФУ синтезировали органическое соединение, которое способно окрашивать бактерии и передавать информацию об их окружении, изменяя оптические свойства в зависимости от условий, в которых оказались. Это даст возможность ученым разглядеть с помощью микроскопа процессы, протекающие в микроорганизмах в естественном состоянии, что важно для разработки, например, новых антибиотиков. Сейчас биологи в основном изучают бактерии в лабораторных чашках, однако в живой природе они формируют свои уникальные биоцинозы — биопленки. Использование святящегося молекулярного «зонда» поможет изучить их не разрушая.

— Наша работа посвящена синтезу и исследованию семейства новых флуоресцентных зондов на основе бензимидазолия. В результате изучения спектральных и флуоресцентных свойств оказалось, что они демонстрируют высокий потенциал для использования таких соединений в качестве pH-чувствительных флуоресцентных зондов. Прежде всего они подходят для визуализации рН в бактериальных биопленках, что и было продемонстрировано в ходе пилотных биовизуализационных экспериментов с использованием флуоресцентного микроскопа, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории специального органического синтеза лаборатории экологии и молекулярной биологии микроорганизмов НИИ ФОХ Артем Пугачев.

Сейчас, когда ученые берут бактерии для анализа, они, как правило, выдирают их из среды, делаем посев, и микроорганизмы вырастают в новой среде, уже в лабораторной чашке, или их разрушаем и делаем их химические или генетические анализы, пояснил научный сотрудник Института изучения старения Российский геронтологический научно-клинический центр Пироговского университета Михаил Болков.

— В естественной среде они находятся внутри биопленок и организуют свой собственный закрытый биоценоз, который защищает их от факторов иммунитета или от каких-то соков и всяких кислот. У них своя инфраструктура, где они могут взаимодействовать с другими микроорганизмами. И понимание того, как они будут действовать в естественных условиях, поможет нам раскрыть возможные мишени для воздействия на них в живом теле. Это очень интересно в том числе для создания новых антибиотиков или антисептиков, — сказал ученый в беседе с «Известиями».

Кроме того, существуют не только вредные, но и полезные бактерии, которые нужно изучать. Например, с помощью зонда можно понять, как они функционируют на слизистой горла, добавил специалист.

Отобранное вещество чувствительно к уровню кислотности и изменяет свои оптические и флуоресцентные свойства в зависимости от этого параметра и возбуждается светом видимого спектра. Попадая в биопленку, первые три часа он окрашивает только внеклеточный матрикс бактерий— слизистый слой, в который они погружены. Но если время увеличить до 24 часов, то краситель проникает внутрь бактериальных клеток, что приводит к появлению второго максимума свечения. То есть их можно использовать для визуализации структуры и физиологии бактериальных биопленок, что делает их отличным инструментом для микробиологов и экологов, рассказали разработчики. Также они подойдут для исследований в области физиологии и нейрофизиологии.

Инструмент для новых лекарств

Основная трудность разработки заключалась в создании молекулярного дизайна зонда, функционирующего в необходимом диапазоне кислотности рН от 4,5 до 7,5, так как большинство представителей классических флуоресцентных соединения к этому не способны.

— В ближайшее время мы планируем опробовать другие заместители в молекулярной структуре исследованных зондов для улучшения их спектральных характеристик, а уже потом попробуем их на других моделях, например, на раковых клетках или на тканях головного мозга, — сказал Артем Пугачев.

Исследование бактериальных биопленок — одна из наиболее актуальных задач современной микробиологии и медицины. В реальных условиях бактерии чаще существуют именно в таком виде, и в этом состоянии они, как правило, значительно более устойчивы к антибиотикам, антисептикам и факторам окружающей среды, чем свободноплавающие клетки. Именно поэтому биопленки лежат в основе хронических инфекций, проблем внутрибольничных заражений и устойчивости к терапии, рассказал «Известиям» руководитель Центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета Альберт Ризванов.

— В мире уже существуют флуоресцентные красители и зонды для визуализации биопленок — например, маркеры живых и мертвых клеток, красители внеклеточного матрикса или pH-чувствительные зонды. Однако большинство из них либо не позволяют тонко анализировать микросреду, либо работают в узком диапазоне условий. Поэтому появление новых pH-чувствительных зондов, специально адаптированных под биологически значимый диапазон кислотности, крайне востребовано, — сказал специалист.

Подобные красители могут использоваться не только для визуализации структуры биопленок, но и для изучения действия антибиотиков — например, чтобы отслеживать, как меняется pH и проницаемость матрикса при лечении. Кроме того, такие инструменты перспективны для скрининга и поиска новых антибактериальных соединений, позволяя быстро оценивать, проникает ли препарат в биопленку и влияет ли он на ее физиологию. В этом смысле разработка российских ученых вписывается в мировой тренд на создание «умных» молекулярных инструментов для борьбы с антибиотикорезистентностью, отметил ученый.

По мнению ассистента агробиотехнологического департамента, заведующей лабораторией АТИ РУДН Валерии Гресис, пока речь идет о нишевом методе, требующем дальнейшего развития и подтверждения. Вместе с тем как задел для последующих исследований работа выглядит обоснованной.

Исследование было поддержано в рамках программы «Приоритет-2030».

Читайте также