Biyofilmler, yoğun olarak olarak kümelenmiş ve genellikle dirençli enfeksiyonlara neden olan bakterilerin oluşturduğu topluluklardır. Bu kalabalık yapılar, oksijen ve besin maddesinin yoğun olduğu, pürüzlü yüzeylerdeki akıntı hatlarında oluşur. İnsan patojeni olan  Pseudomonas aeruginosa, bakteri biyofilm içerisinde iken oksijen azlığı durumuyla başa çıkmasında ona yardım eden “phenazines”  molekülü sentezler. Columbia University’den araştırmacılar, phenazinlerin kullanılmasında rol oynayan elektron taşıma sisteminin proteinleri için yeni görevler açığa çıkardı.

Araştırmacılar, popülasyonca yoğun ve oksijence fakir ortamlarda, bakteri hücrelerinin enerji üretebilmeleri ve hayatta kalabilmeleri için ihtiyaçları olan oksijene erişimlerini sağlayan bir mekanizma keşfettiler. Bu keşif, Pseudomonas aeruginosa gibi bazı bakterilerin, biyofilm toplulukları gibi oksijence fakir ortamlarda nasıl gelişebildiklerini ve antibiyotiklere karşı nasıl direndiklerini açıklayabilir. Biyofilm oluşturan P. aeruginosa enfeksiyonu, sindirim sistemini ve akciğerleri etkileyen ve genetik bir hastalık olan kistik fibrozisten etkilenen insanlar için başlıca ölüm nedenlerinden biri.

21 Kasım 2017 tarihinde eLife'da yayımlanan araştırmaya göre, oksijenin az bulunduğu ortamlarda P. aeruginosa ve diğer bakterilerin hayatta kalmalarına ve virülanslarına katkıda bulunan metabolik yolların anlaşılması, kistik fibrozis gibi immun sistemi baskılayıcı hastalıkları olan hastalar için tedavi yaklaşımları hakkında bilgi verebilir.

Bakteriler nadiren tek hücreli organizmalar olarak kendi başlarına yaşarlar. Bunun yerine çoğu, kendilerini antibiyotiklere karşı 1000 kat daha güçlü kılan doku benzeri yapılar olan biyofilmler oluşturmak için sayılarını artırarak topluluklar halinde yaşamayı tercih eder. Her hücre, besinlerden gelen elektronları oksijen molekülüne ulaşıncaya kadar hücre zarı boyunca taşımalıdır. Bu metabolik yol boyunca açığa çıkan enerji yaşamı devam ettirebilmek için kullanılır. Bakteri kolonileri büyümeye ve biyofilm oluşturmaya devam ettikçe, aşırı kalabalık hale gelebilirler. Bu oluşum, her hücrenin hayatta kalabilmesi için besin ve oksijene sınırlı erişiminin olduğu bir çevre yaratır.

Araştırmacılar P. aeruginosa’nın da içerisinde olduğu bazı bakterilerin, biyofilm içerisindeki düşük oksijen konsantrasyonu ile başa çıkmak için çeşitli stratejiler geliştirdiklerini keşfettiler. Örneğin, kolonideki bakteriler yüzey/hacim oranını artırabilmek için biyofilmin genel yapısını değiştirebiliyor ve bu sayede içeride bulunan hücreler oksijene daha fazla erişim sağlıyor. Ayrıca P. aeruginosa, phenazine olarak adlandırılan ve elektronların hücre içerisinden dışarıya taşınmasına yardımcı olarak oksijene ulaşmalarını sağlayan moleküller sentezleyebiliyor. Bir diğer strateji, hücre zarında bulunan ve elektronların oksijene transfer edilmesini sağlayan terminal oksidazın (Sitokrom oksidaz) alternatifini yapmaktır. Bu enzim, oksijenin daha verimli kullanılmasını ve oksijen konsantrasyonu düşük olduğunda oksijenin dışarıdan toplanmasını sağlıyor. Enzimin önemini ve P. aeruginosa’nın büyüme stratejisini açıklamak için yapılmış çok sayıda çalışma olsa da; bu çalışmaların çoğu laboratuvar ortamında bol oksijenli sıvı kültürlerde gerçekleştirildi. Fakat P. aeruginosa, insan gibi gerçek bir konağı enfekte ettiğinde, genellikle biyofilm formunda büyür ve çok farklı koşullarla karşılaşır.

Ulusal Sağlık Enstitüsü (National Institutes of Health) ve Ulusal Bilim Vakfı(National Science Foundation)’nın destekleri ile araştırmacılar, biyofilm içerisinde bulunan P. aeruginosa metabolizması için belirli terminal oksidazların, önemli olup olmadığını, phenazinlerin düşük oksijen seviyelerini nasıl telafi edebildiklerini ve bu stratejilerin P. aeruginosa’nın enfeksiyona neden olma kabiliyetine nasıl katkıda bulunduğunu derinlemesine incelemeyi amaçladı.

Araştırmada, oksijenden yoksun biyofilmlerde ve çevrelerde, elektronların enerjiye dönüştürülebilmeleri için elektron taşıma sisteminin (ETS) oldukça önemli olduğu ve bakterinin oksijene ulaşmak ve üremek için CcoN4 (termal oksidazın spesifik bir parçası) adı verilen proteine bağımlı olduğu bulgusuna ulaşıldı. CcoN4 proteininden yoksun hücreler, hayatta kalma açısından bu proteine sahip olan hücreler kadar başarılı olamadıkları bulgusundan yola çıkan araştırmacılar bu proteinin bakterinin virülansına katkıda bulunduğu sonucuna ulaştılar. Bunun yanı sıra yapılan çalışmada biyofilm içerisinde phenazinelerin optimum seviyede kullanımında  CcoN4’ün rolü olduğu bulgusuna ulaşıldı. Biyofilmlerde, phenazinelerin düşük oksijen koşullarını dengelediği daha önceden bilinse de bu mekanizmanın nasıl işlediği bilimsel gizemini koruyordu.

P. aeruginosa’nın hayatta kalmasına ve virülansına katkıda bulunan metabolik yolların çözülmesi, hastalara uygulanacak tedavi yaklaşımları hakkında bilgi vereceğinden, elde edilen veriler P. aeruginosa’nın biyofilm enfeksiyonlarının tedavisinde büyük faydalar sağlayabilir. Örneğin CcoN4 bulunduran terminal oksidazları bloke eden tedavilerin geliştirilmesi, bakteriyi ve bakterinin enfeksiyona yol açma kabiliyetini zayıflatacaktır.