Муциновые гликаны ослабляют вирулентность синегнойной палочки

Как слизь обезвреживает патогенные микробы

Специализированные молекулы сахара, называемые гликанами, могут разоружать оппортунистические патогены и предотвращать инфекцию

Более 200 квадратных метров нашего тела, включая пищеварительный тракт, легкие и мочевыводящие пути, покрыты слизью. В последние годы ученые обнаружили некоторые доказательства того, что слизь является не просто физическим барьером, который задерживает бактерии и вирусы, но она также может разоружать патогенные микроорганизмы и предотвращать их развитие.

Новое исследование Массачусетского технологического института показывает, что гликаны - разветвленные молекулы сахара, обнаруженные в слизи, - ответственны за большую часть этого приручения микробов. В слизи содержатся сотни различных гликанов, и команда MIT обнаружила, что эти молекулы могут препятствовать обмену бактериями друг с другом и образованию инфекционных биопленок, эффективно обезвреживая их.

Прим. ред.: Один из основных компонентов слизи – полисахариды гликаны с большими ветвящимися молекулами. Другой основной компонент слизи – белки муцины. Гликаны - полисахариды или олигосахариды, полимеры, состоящие из моносахаридных звеньев, соединенных O-гликозидными связями. Муцины - главные гликопротеины слизи, покрывающей дыхательные, пищеварительные и мочеполовые пути.

«То, что у нас есть в слизи, - это терапевтическая золотая жила», - говорит Катарина Риббек (Katharina Ribbeck), профессор биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте. «Эти гликаны имеют очень широкие и сложные биологические функции. Они способны регулировать поведение микробов и действительно настраивать их идентичность».

В этом исследовании, опубликованном 14 октября 2019 г. в Nature Microbiology, ученые сосредоточились на взаимодействии гликанов с синегнойной палочкой (Pseudomonas aeruginosa) - патогенным микроорганизмом, который может вызывать инфекции у пациентов с муковисцидозом и людей с нарушенной иммунной системой. Работа, проводимая в настоящее время в лаборатории Риббека, показала, что гликаны могут регулировать поведение других микробов.

Мощные защитники 

Среднестатистический человек производит несколько литров слизи каждый день, и до недавнего времени считалось, что эта слизь в основном служит смазкой и физическим барьером. Тем не менее, Риббек и другие показали, что слизь на самом деле может влиять на поведение бактерий, препятствуя прикреплению микробов к поверхности и общению друг с другом.

В новом исследовании Риббек хотела проверить, участвуют ли гликаны в способности слизи контролировать поведение микробов. Эти молекулы сахара, тип олигосахаридов, присоединяются к белкам, называемым муцинами, гелеобразующими строительными блоками слизи, чтобы сформировать структуру, похожую на «бутылочный ёршик».  

Связанные со слизью гликаны изучены мало, но Риббек полагала, что они могут играть главную роль в обезвреживающем микробов действии, которое она ранее видела в слизи. Чтобы исследовать эту возможность, она выделила гликанов и подвергла их воздействию Pseudomonas aeruginosa. Под воздействием гликанов муцина бактерии претерпевали значительные изменения в поведении, что делало их менее вредными для хозяина. Например, они больше не производили токсины, прикрепленные к клеткам-хозяевам или убитые ими, или экспрессировали гены, необходимые для бактериальной коммуникации.

Эта деятельность по обезвреживанию микробов имела мощные последствия для способности Pseudomonas aeruginosa устанавливать инфекции. Риббек показала, что лечение инфицированных Псевдомонадами ожоговых ран муцинами и муцин-гликанами снижает бактериальную пролиферацию, что указывает на терапевтический потенциал этих нейтрализующих вирулентность агентов.

Прим. ред.: Вирулентность (от лат. virulentus «ядовитый») — степень способности данного инфекционного агента (штамма микроорганизма или вируса) заражать данный организм.

«Мы видели, что интактные муцины оказывают регуляторное воздействие и могут вызывать поведенческие изменения у целого ряда патогенных микроорганизмов, но теперь мы можем точно определить молекулярный механизм и сущности, которые несут ответственность за это, а именно гликаны», - говорит Риббек.

В этих экспериментах исследователи использовали коллекции из сотен гликанов, но теперь они планируют изучить эффекты отдельных гликанов, которые могут специфически взаимодействовать с различными путями или разными микробами.

Бактериальные взаимодействия 

Pseudomonas aeruginosa является лишь одним из многих патогенных микроорганизмов, которые контролирует здоровая слизь. В настоящее время Риббек изучает роль гликанов в регуляции других патогенных микроорганизмов, в том числе Streptococcus и гриба Candida albicans, а также занимается выявлением рецепторов на поверхности микробных клеток, которые взаимодействуют с гликанами.

Ее работа над Streptococcus показала, что гликаны могут блокировать горизонтальный перенос генов, процесс, который микробы часто используют для распространения генов для лекарственной устойчивости.

Риббек и другие исследователи теперь заинтересованы в использовании того, что они узнали о муцинах и гликанах, для создания искусственной слизи, которая может предложить новый способ лечения заболеваний, возникающих из-за утраченной или дефектной слизи.

Использование мощностей слизи может также привести к новым способам лечения резистентных к антибиотикам инфекций, потому что это предлагает дополнительную стратегию к традиционным антибиотикам, говорит Риббек.

«То, что мы находим здесь, - это то, что природа развила способность разоружать сложные микробы, вместо того, чтобы убивать их. Это не только поможет ограничить избирательное давление для развития устойчивости (потому что они не находятся под давление), чтобы найти способы выжить, но и должно помочь создать и поддерживать разнообразный микробиом», - говорит она.

Риббек подозревает, что гликаны в слизи также играют ключевую роль в определении состава микробиома - триллионов бактериальных клеток, которые живут внутри человеческого организма. По ее словам, многие из этих микробов полезны для их хозяев, и гликаны могут обеспечивать их необходимыми питательными веществами или иным образом помогать им процветать.

Таким образом, гликаны, ассоциированные со слизью, похожи на многие олигосахариды, содержащиеся в материнском молоке, которые также содержат широкий спектр сахаров, которые могут регулировать поведение микробов.

Описание исследования из Nature Microbiology

Муциновые гликаны ослабляют вирулентность Pseudomonas aeruginosa при инфекции 

На рисунке: бактерия Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка)

Итак, увлажненный слизистый гель выстилает весь влажный эпителий в теле человека, включая глаза, легкие, желудочно-кишечный и мочеполовый тракт. Слизь образует первую линию защиты, в то время как содержит триллионы микроорганизмов, которые составляют микробиоту. Редко эти микроорганизмы вызывают инфекции в здоровой слизи, что позволяет предположить, что в слизистом слое существуют механизмы, которые регулируют вирулентность.

Используя бактерию Pseudomonas aeruginosa и трехмерную (3D) лабораторную модель нативной слизи, ученые определили, что воздействие слизи вызывает подавление генов вирулентности, которые участвуют в определении кворума, биосинтезе сидерофоров и секреции токсинов, а также быстрое разложение биопленки - отличительного признака слизистых инфекций. Этот фенотипический переключатель запускается муцинами, которые представляют собой полимеры, которые плотно привиты с O-связанными гликанами, которые образуют 3D-каркас внутри слизи.

Исследования показывают, что изолированные муцины действуют в различных масштабах, подавляя различные пути вирулентности, способствуя планктонному образу жизни, уменьшая цитотоксичность к эпителию человека in vitro и ослабляя инфекцию в модели ожога свиней. Другие вязкие полимерные растворы не обладают таким же эффектом, что указывает на то, что регуляторная функция муцина обусловлена не только его полимерной структурой.

Ученые выявили, что взаимодействия с P. aeruginosa опосредованы муциновыми гликанами. Выделив гликаны из основной цепи муцина, специалисты оценили коллективную активность сотен сложных структур в растворе. Как и их привитые аналоги, свободные муциновые гликаны эффективно регулируют бактериальные фенотипы даже при относительно низких концентрациях. Эта регуляторная функция, вероятно, зависит от сложности гликана, так как моносахариды не ослабляют вирулентность. Таким образом, муциновые гликаны являются мощными сигналами хозяина, которые «приручают» микроорганизмы, делая их менее вредными для хозяина.

Дополнительно по теме см.:

• Муцины - главные гликопротеины слизи
• Динамика муцинов при физиологических и патологических состояниях
• Микробная биопленка как форма существования микроорганизмов
• Роль кишечной микробиоты при этиопатогенезе ВЗК

Источник: материалы предоставлены Massachusetts Institute of Technology.

Статья в журнале: Kelsey M. Wheeler, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Bradley S. Turner, Sheri Dellos-Nolan, Julia Y. Co, Sylvain Lehoux, Richard D. Cummings, Daniel J. Wozniak & Katharina Ribbeck. Mucin glycans attenuate the virulence of Pseudomonas aeruginosa in infection. Nature Microbiology, 2019