Российские ученые разработали зонд-«шпион», который позволит исследовать поведение бактерий
Что объединяет хронические инфекции, коррозию промышленных труб и быстрое порчу продуктов? Ответ кроется в невидимых «бактериальных городах» — биопленках, где микробы становятся практически неуязвимыми. Чтобы заглянуть в глубь этих защитных структур, химики и биологи Южного федерального университета в сотрудничестве с коллегами из Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова и Северо-Кавказского федерального университета разработали уникальный «шпионский» инструмент — умный флуоресцентный зонд. Этот зонд не только безопасно проникает в биопленку, но и меняет цвет в зависимости от происходящих внутри процессов, позволяя увидеть, что происходит под защитным слоем.
Бактериальные биопленки представляют собой высокоорганизованные сообщества, где клетки окружены плотным внеклеточным матриксом, что делает их в сотни раз устойчивее к антибиотикам. Однако традиционные лабораторные методы часто исследуют бактерии в изоляции, например, в чашках Петри, тогда как в реальной жизни — в организме человека, почве или на промышленных поверхностях — они обычно находятся внутри этих сложных структур. Для разработки эффективных методов борьбы с ними необходимо увидеть их «крепость» изнутри, не разрушая.
Ключ к созданию нового инструмента был в сотрудничестве специалистов из НИИ ФОХ, АБиМ, НИТЦ нейротехнологий ЮФУ, СКФУ и Чувашского госуниверситета. Идея возникла на стыке интересов химиков и биологов: биологи изучают бактериальные биопленки, а химики разрабатывают флуоресцентные зонды.
Ученые синтезировали новое семейство соединений на основе бензимидазола. Основная проблема заключалась в молекулярном дизайне зонда, который должен функционировать в диапазоне pH 4.5 – 7.5. Команде удалось создать соединение с уникальным значением pKa = 6, что идеально подходит для изучения живых организмов. Полученный зонд изменяет свечение в зависимости от кислотности, позволяя отслеживать метаболизм внутри биопленки.
Зонд безопасен и работает как «шпион», окрашивая только внеклеточный матрикс при короткой инкубации, а при длительной проникая внутрь бактерий. В дальнейшем исследователи планируют улучшить спектральные характеристики зонда и протестировать его на других биологических моделях, таких как раковые клетки или ткани головного мозга. Это исследование стало основой для нового направления в микробиологии и нейрофизиологии.
«Самое впечатляющее и увлекательное для глаза — это, безусловно, полученные изображения, — делится исследователь. — Если говорить совсем просто, мы создали инструмент для наблюдения за жизнедеятельностью бактерий в их «городках». Результаты нашего исследования опубликованы в журнале Molecules (IF= 4.6). Работа была выполнена в лаборатории молекулярно-биологического скрининга и биотестирования при поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).»