Что общего у хронической инфекции, коррозии промышленных труб и быстрой порчи продуктов? Невидимые невооруженным глазом «бактериальные города» — биопленки, где микробы становятся неуязвимыми. Чтобы заглянуть в сердце этих крепостей, химики и биологи Южного федерального университета совместно с коллегами из Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова и Северо-Кавказского федерального университета создали уникальный «шпионский» инструмент — умный флуоресцентный зонд. Он не только безопасно проникает в биопленку, но и меняет цвет в зависимости от процессов внутри, показывая, что происходит под ее защитным слоем.
Бактериальные биопленки — это высокоорганизованные сообщества, где клетки окружены плотным внеклеточным матриксом. В такой форме они в сотни раз устойчивее к антибиотикам. Однако классические лабораторные методы часто изучают бактерии изолированно, в чашках Петри, тогда как в реальности — в организме человека, в почве или на промышленных поверхностях — они почти всегда существуют внутри таких сложных структур. Чтобы создать эффективные методы борьбы, нужно увидеть их «крепость» изнутри, не разрушая.
Ключ к созданию такого инструмента лежал в объединении усилий специалистов из НИИ ФОХ, АБиМ, НИТЦ нейротехнологий ЮФУ, СКФУ и Чувашского госуниверситета.
«Идея возникла в результате соприкосновения научных интересов химиков и биологов. Биологи давно изучают бактериальные биопленки, а химики занимаются созданием флуоресцентных зондов», – отметил старший научный сотрудник Лаборатории специального органического синтеза НИИ ФОХ ЮФУ, кандидат химических наук Артём Пугачёв.
Ученые синтезировали новое семейство соединений на основе бензимидазола. Главной проблемой был не синтез, а молекулярный дизайн.
«Основная трудность заключалась в создании зонда, функционирующего в необходимом диапазоне рН (4.5 – 7.5). Большинство классических рН-чувствительных молекул работают либо в очень кислой, либо в щелочной среде», — отмечает Артём Пугачёв.
Команде удалось решить эту задачу, создав соединение с уникальным для подобных систем значением pKa = 6, что идеально для изучения живых организмов.
Полученный зонд работает как точный и безопасный «шпион». Он видит кислотность, изменяя свечение в биологически значимом диапазоне pH, что позволяет отслеживать метаболизм внутри биопленки. Его нетоксичность подтверждена предварительными испытаниями с использованием lux-биосенсоров и биопленок. Но самая изящная особенность — это управляемое проникновение. При короткой инкубации (3 часа) зонд окрашивает только внеклеточный матрикс — «стены города», а при увеличении времени он проникает внутрь самих бактерий.
«Из-за пропансульфонатного фрагмента затруднено проникновение красителя в клетки, а вот к матриксу он просто «прилипает». Это дает нам возможность изучать отдельно каркас биопленки и, при необходимости, ее «жителей», — поясняет ученый.
Работа не заканчивается на биопленках. В ближайшее время исследователи планируют опробовать другие заместители в молекулярной структуре для улучшения спектральных характеристик зонда, чтобы сделать его еще более чувствительным и универсальным. Следующим логичным шагом станут испытания на других биологических моделях, например, на раковых клетках или тканях головного мозга. Это исследование, по признанию авторов, заложило первый, но краеугольный «кирпич» в фундамент нового направления. Ученые не только создали работающий инструмент для микробиологии и нейрофизиологии, но и доказали перспективность целого молекулярного подхода, определив ключевую архитектуру будущих умных зондов.
«Самое красивое и интересное глазу — это, конечно же, полученные изображения, — рассказывает исследователь. — А если объяснять совсем просто, то мы получили инструмент, чтобы наблюдать за жизнедеятельностью бактерий в их «городках»».
Результаты исследования опубликованы в журнале Molecules (IF = 4.6). Работа проведена в лаборатории молекулярно-биологического скрининга и биотестирования при поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).