EPFL చేసిన ఒక కొత్త అధ్యయనం, అపఖ్యాతి పాలైన బాక్టీరియా వ్యాధికారక సూడోమోనాస్ ఎరుగినోసా మానవ వాయుమార్గాలను సమర్థవంతంగా వలసరాజ్యం చేయడం మరియు జీవించడానికి యాంటీబయాటిక్ సహనాన్ని అభివృద్ధి చేయడం మధ్య సమతుల్యతను కలిగి ఉండాలని వెల్లడించింది.
నిరంతరం దాడి చేస్తున్నప్పుడు కొత్త ఇంటిలో స్థిరపడేందుకు ప్రయత్నిస్తున్నట్లు ఊహించుకోండి. అదే బాక్టీరియం సూడోమోనాస్ ఎరుగినోసా ఇది ఊపిరితిత్తులకు సోకినప్పుడు ఎదుర్కొంటుంది మరియు అదే సమయంలో యాంటీబయాటిక్స్ నుండి వ్యాప్తి చెందదు మరియు రక్షించుకోదు. ఏది ఏమైనప్పటికీ, ఇది ఆసుపత్రిలో పొందిన ఇన్ఫెక్షన్లలో అగ్ర నేరస్థులలో ఒకటి మరియు ఇది దీర్ఘకాలిక, యాంటీబయాటిక్-రెసిస్టెంట్ ఇన్ఫెక్షన్లకు కారణమవుతుంది, ముఖ్యంగా సిస్టిక్ ఫైబ్రోసిస్, COPD లేదా బ్రోన్కియాక్టసిస్ వంటి ఊపిరితిత్తుల వ్యాధులతో బాధపడుతున్న వ్యక్తులకు నష్టం కలిగిస్తుంది.
కఠినమైన పరిస్థితులను తట్టుకోవడానికి, పి. ఎరుగినోసా “బయోఫిల్మ్స్” అని పిలవబడే కాలనీలను ఏర్పరుస్తుంది – యాంటీబయాటిక్స్ నుండి రక్షణతో సహా ముఖ్యమైన ప్రయోజనాలను అందించే స్వీయ-ఉత్పత్తి మాతృకలో నిక్షిప్తం చేయబడిన బ్యాక్టీరియా సమూహాలు.
కానీ బయోఫిల్మ్‌లు ఖర్చుతో వస్తాయి: క్లస్టర్డ్ బ్యాక్టీరియా కూడా చుట్టూ తిరిగే సామర్థ్యాన్ని కోల్పోతుంది, పోషకాలను కనుగొని సమర్థవంతంగా వ్యాప్తి చెందుతుంది. కోసం పి. ఎరుగినోసా ఊపిరితిత్తులకు సోకడం, ఇది ఒక గందరగోళాన్ని కలిగిస్తుంది: ఇన్‌కమింగ్ యాంటీబయాటిక్‌లను నిరోధించడానికి ఇది ఊపిరితిత్తుల ఉపరితలం లేదా బంకర్‌లో వ్యాపిస్తే సరైన సమతుల్యతను సాధించడం అనేది వ్యాధికారకానికి జీవితం మరియు మరణం అని అర్ధం – మరియు అంతరాయం కలిగించడం అనేది రోగులకు జీవితం లేదా మరణం అని అర్ధం.
EPFL యొక్క గ్లోబల్ హెల్త్ ఇన్స్టిట్యూట్‌లో అలెగ్జాండర్ పెర్సాట్ బృందం చేసిన కొత్త పరిశోధన ఇప్పుడు ఎలా కనుగొంది పి. ఎరుగినోసా యాంటీబయాటిక్ రక్షణ కోసం బయోఫిల్మ్ నిర్మాణం మరియు వారు ఎదుర్కొనే పర్యావరణ ఒత్తిళ్లను బట్టి పోషకాలను వ్యాప్తి చేయడానికి మరియు యాక్సెస్ చేయడానికి మరింత మొబైల్, “ప్లాంక్టోనిక్” స్థితిని మార్చడం ద్వారా సంక్రమణ సమయంలో వలసరాజ్యం మరియు మనుగడ మధ్య ట్రేడ్-ఆఫ్‌ను నిర్వహిస్తుంది. అధ్యయనంలో ప్రచురించబడింది ప్రకృతి సూక్ష్మజీవశాస్త్రం.
బ్యాక్టీరియాను గమనించడానికి సహజ సంక్రమణ వాతావరణాలను అనుకరించడం
బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి పి. ఎరుగినోసాయొక్క ప్రవర్తన, పరిశోధకులు మానవ ఊపిరితిత్తులను అనుకరించే శ్లేష్మంతో కప్పబడిన కణజాల నమూనాలపై బ్యాక్టీరియాను పెంచారు. “ఆర్గానాయిడ్స్” అని పిలువబడే ఈ కణజాల నమూనాలు బయో ఇంజినీరింగ్ యొక్క అత్యాధునిక దశలో ఉన్నాయి.
“అప్పుడు మేము ట్రాన్స్‌పోసన్-ఇన్సర్షన్ సీక్వెన్సింగ్ (Tn-seq) అనే హై త్రూపుట్ స్క్రీనింగ్ టెక్నిక్‌ని ఉపయోగించాము, మెటబాలిక్ మోడలింగ్ మరియు లైవ్ ఇమేజింగ్‌తో కలిపి, ఎలా అని అధ్యయనం చేసాము. పి. ఎరుగినోసా ఊపిరితిత్తుల యొక్క శ్లేష్మ ఉపరితలాన్ని వలసరాజ్యం చేయడానికి మరియు యాంటీబయాటిక్ చికిత్సను తట్టుకోవడానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది” అని అధ్యయనానికి నాయకత్వం వహించిన లూకాస్ మీరెల్లెస్ చెప్పారు.
Tn-seq టెక్నిక్‌కు ధన్యవాదాలు, వివిధ పరిస్థితులలో బ్యాక్టీరియా మనుగడకు ఏ జన్యువులు ముఖ్యమైనవో శాస్త్రవేత్తలు గుర్తించారు: శ్లేష్మ కాలనైజేషన్ సమయంలో ఫిట్‌నెస్‌కు దోహదపడినవి మరియు యాంటీబయాటిక్‌లను తట్టుకోవడంలో బ్యాక్టీరియాకు సహాయపడేవి.
ఊపిరితిత్తుల వాతావరణంలో బ్యాక్టీరియా పోషకాలను ఎలా జీవక్రియ చేస్తుందో అనుకరించడానికి శాస్త్రవేత్తలు కంప్యూటేషనల్ మోడలింగ్‌ను కూడా ఉపయోగించారు, ఇది ఖచ్చితమైన జీవక్రియ మార్గాలను గుర్తించడంలో సహాయపడింది. పి. ఎరుగినోసా సంక్రమణ సమయంలో ఆధారపడుతుంది.
సరైన సంతులనాన్ని కనుగొనడం
అని అధ్యయనం కనుగొంది పి. ఎరుగినోసా సోకిన ఊపిరితిత్తులలో పుష్కలంగా ఉండే చక్కెరలు మరియు లాక్టేట్, పోషకాలపై ఆధారపడటం ద్వారా ఊపిరితిత్తుల శ్లేష్మానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది. అయినప్పటికీ, శ్లేష్మం మీద జీవించడానికి, బాక్టీరియం అమైనో ఆమ్లాల వంటి అవసరమైన కానీ తక్కువ అందుబాటులో ఉన్న పోషకాలను కూడా సంశ్లేషణ చేయాలి. ఈ స్వయం సమృద్ధి, లేదా “మెటబాలిక్ ఇండిపెండెన్స్”, ఊపిరితిత్తుల సంక్రమణ ప్రారంభ దశల్లో బాక్టీరియం వృద్ధి చెందడానికి సహాయపడుతుంది.
ఈ సందిగ్ధత వెనుక ఉన్న యంత్రాంగాన్ని పెర్సాట్ బృందం వెలికితీసింది. బయోఫిల్మ్ నిర్మాణం “జీవక్రియ భారాన్ని” విధిస్తుందని వారు కనుగొన్నారు, అంటే బయోఫిల్మ్‌ను కలిసి ఉంచే స్టిక్కీ మ్యాట్రిక్స్‌ను ఉత్పత్తి చేయడం వనరులను వినియోగిస్తుంది, బ్యాక్టీరియా వ్యాప్తి చెందే సామర్థ్యాన్ని తగ్గిస్తుంది. ప్రయోగాలలో, బయోఫిల్మ్‌లను ఏర్పరచలేని బ్యాక్టీరియా మరింత సమర్థవంతంగా వ్యాపిస్తుంది కానీ యాంటీబయాటిక్స్‌కు హాని కలిగిస్తుంది. బయోఫిల్మ్ నిర్మాణం యొక్క జీవక్రియ ఖర్చులపై ఈ కొత్త అంతర్దృష్టి, బాక్టీరియం పెరుగుదల మరియు యాంటీబయాటిక్ సహనాన్ని ఎలా సమతుల్యం చేస్తుందో వివరిస్తుంది.
అధ్యయనం సున్నితమైన బ్యాలెన్సింగ్ చర్యను హైలైట్ చేస్తుంది సూడోమోనాస్ ఎరుగినోసా అంటువ్యాధుల సమయంలో తప్పనిసరిగా నిర్వహించాలి. బ్యాక్టీరియా ఊపిరితిత్తులను సమర్ధవంతంగా వలసరాజ్యం చేయవలసి ఉండగా, వాటి ఉత్తమ మనుగడ వ్యూహం – బయోఫిల్మ్‌లను ఏర్పరుస్తుంది – పోషకాలకు వాటి ప్రాప్యతను పరిమితం చేస్తుంది మరియు అందువలన, వ్యాప్తి చెందే సామర్థ్యాన్ని పరిమితం చేస్తుంది. అయితే, యాంటీబయాటిక్స్ ప్రవేశపెట్టిన తర్వాత, బయోఫిల్మ్ నిర్మాణం ప్రయోజనకరంగా మారుతుంది, బ్యాక్టీరియాను తుడిచిపెట్టకుండా కాపాడుతుంది.
కొత్త మార్గాలను అన్వేషించడం
ఈ ఆవిష్కరణ కొత్త చికిత్సా వ్యూహాల అన్వేషణకు తలుపులు తెరుస్తుంది: బ్యాక్టీరియా వ్యాప్తి చెందడానికి ఎక్కువ స్థలాన్ని ఇవ్వకుండా బయోఫిల్మ్‌లను రూపొందించే సామర్థ్యాన్ని అంతరాయం కలిగించే మార్గాన్ని మనం కనుగొనగలిగితే, అది వాటిని ఇప్పటికే ఉన్న చికిత్సలకు మరింత హాని చేస్తుంది. మరియు బ్యాక్టీరియా యొక్క జీవక్రియ మార్గాలను లక్ష్యంగా చేసుకునే చికిత్సలు కూడా బలహీనపడటంలో ప్రభావవంతంగా ఉన్నాయని నిరూపించవచ్చు సూడోమోనాస్ అంటువ్యాధులు.
మరింత విస్తృతంగా, శాస్త్రవేత్తలు వ్యాధికారకాలను అధ్యయనం చేయాలని నమ్ముతారు పి. ఎరుగినోసా యాంటీబయాటిక్ నిరోధకతను ఎదుర్కోవడానికి మానవ కణజాలాల శరీరధర్మ శాస్త్రాన్ని ప్రతిబింబించే ఇన్ఫెక్షన్ నమూనాలలో చాలా ముఖ్యమైనది.
“యాంటీబయాటిక్ రెసిస్టెన్స్ ఈ శతాబ్దంలో అత్యంత తీవ్రమైన ఆరోగ్య సంరక్షణ సవాళ్లలో ఒకటిగా మారనుంది పి. ఎరుగినోసా ఈ సమస్యకు ప్రధాన సహకారి” అని మీరెల్లెస్ చెప్పారు. “లాబ్‌లోని వాయుమార్గ వాతావరణాన్ని ప్రతిబింబించడానికి టిష్యూ-ఇంజనీరింగ్‌ని ఉపయోగించడం ద్వారా, ఈ వ్యాధికారక శరీరధర్మాన్ని బాగా అర్థం చేసుకోవాలని మేము లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నాము. ఈ ఇన్ఫెక్షన్‌లను ఎదుర్కోవడంలో మరియు యాంటీబయాటిక్ నిరోధకతను పరిష్కరించడంలో మాకు సహాయపడటానికి ఇది గతంలో తెలియని లక్ష్యాలను వెలికితీస్తుందని మా ఆశ.”
ఇతర సహకారులు
EPFL లేబొరేటరీ ఆఫ్ కంప్యూటేషనల్ సిస్టమ్స్ బయోటెక్నాలజీ
సూచనలు
లూకాస్ ఎ. మీరెల్లెస్, ఎవాంజెలియా వాయెనా, ఆరియన్ డెబాచే, ఎరిక్ ష్మిత్, తమరా రోస్సీ, టానియా డిస్లర్, వాసిలీ హట్జిమానికాటిస్, అలెగ్జాండర్ పెర్సాట్. సూడోమోనాస్ ఎరుగినోసా వాయుమార్గ ఇన్ఫెక్షన్ల సమయంలో శ్లేష్మ కాలనైజేషన్ మరియు యాంటీబయాటిక్ టాలరెన్స్ మధ్య ఫిట్‌నెస్ ట్రేడ్-ఆఫ్‌ను ఎదుర్కొంటుంది. నేచర్ మైక్రోబయాలజీ 25 అక్టోబర్ 2024. DOI: 10.1038/s41564’024 -01842-3
