Биосенсоры показывают, как бактерия получает сигнал разделиться на плавающую и прикреплённую клетки

Некоторые виды бактерий совершают удивительный репродуктивный трюк. Когда одноклеточный организм делится надвое, дочерняя клетка — «роевик» — наследует пропеллер (жгутик) для свободного плавания. Материнская клетка строит стебелёк, чтобы прикрепляться к поверхностям.

Исследователи из Вашингтонского университета (UW) и их коллега из Стэнфордского университета разработали биосенсоры, чтобы наблюдать, как бактерия получает сигнал разделиться на две функционально и структурно разные клетки. Биосенсоры могут измерять биохимические колебания внутри одной бактериальной клетки, которая меньше животной или растительной.

Во время деления клетки сигнальное химическое вещество, встречающееся только у бактерий, помогает определить судьбу двух образующихся клеток. Этот сигнал — крошечная циклическая молекула, называемая циклическим дигуанозинмонофосфатом или c-di-GMP.

Выступая в роли внутреннего мессенджера, реагирующего на информацию об окружающей среде, c-di-GMP участвует в нескольких бактериальных стратегиях выживания. У безвредных бактерий некоторые из этих тактик помогают им выживать в суровых условиях. У болезнетворных бактерий считается, что c-di-GMP регулирует устойчивость к антибиотикам, адгезивность, образование биоплёнок и подвижность клеток.

В своём исследовании команда учёных под руководством UW изучила деление клеток у вида болезнетворных бактерий Pseudomonas aeruginosa, который использует эти защиты для борьбы с лечением и создания опорных пунктов. Это палочковидный патоген, вызывающий сокращающие жизнь хронические инфекции лёгких у людей с муковисцидозом, ожогами и подавленной иммунной системой, связанной с раком. Исследователи также изучили деление клеток у безвредной бактерии Caulobacter crescentus, обитающей в озёрах и ручьях.

Результаты исследования будут опубликованы 4 июня в журнале Science.

Чтобы отслеживать концентрацию c-di-GMP внутри отдельных живых бактериальных клеток, учёные разработали биосенсор на основе генетически закодированного флуоресцентного резонансного переноса энергии (FRET).

Исследователи наблюдали живые бактерии под микроскопом, измеряющим изменения флуоресцентного излучения от биосенсора. Излучение падает, когда биосенсор связывается с c-di-GMP. Более низкое излучение отражало более высокие уровни c-di-GMP в клетке, и наоборот. Таким образом, исследователи могли регистрировать колебания уровней c-di-GMP во время деления клеток.

Исследователи обнаружили, что сразу после образования тонкой перегородки, создающей две отдельные клетки, уровни c-di-GMP были низкими в клетке, приводимой в движение жгутиком, и в пять раз выше в неподвижной стебельковой клетке. Это асимметричное распределение регуляторного мессенджера происходило у обоих видов бактерий и не было единичным событием.

«У обоих организмов уровни c-di-GMP всегда были значительно ниже в жгутиковой клетке, чем в нежгутиковой», — отметили исследователи.

Некоторые из ферментов, воспринимающих сигналы c-di-GMP, локализованы в определённых местах клетки. Исследователи предположили, что неравномерное распределение мессенджера c-di-GMP может быть вызвано пространственно ограниченным производством или активацией (или инактивацией) этих ферментов.

Нарушение клеточного распределения c-di-GMP имеет серьёзные последствия для развития и функции клеток Caulobacter. Нарушение баланса сенсорных ферментов может привести к появлению клетки-роевика, которая не может плавать, или к гиперподвижной клетки-роевика, в зависимости от того, как нарушен баланс ферментов. Нормальное падение уровня c-di-GMP также может стимулировать быстрый «старт» роевика, когда он уплывает от материнской клетки. Менее чем через час роевик уже не может плавать и превращается в стебельковую клетку.

Исследователи также использовали разработанный ими биосенсор для изучения Salmonella enterica (вызывает пищевое отравление) и нежгутиковой Klebsiella pneumoniae (лёгочный патоген, передающийся по воздуху). У обеих этих бактерий также наблюдается неравномерное распределение ключевого внутреннего мессенджера во время деления клеток.

«Это позволяет предположить, что данное явление не уникально для Pseudomonas и Caulobacter, и что другие свойства клеток, помимо подвижности, вероятно, регулируются асимметричным распределением вторичных мессенджеров во время деления клеток», — сделали вывод исследователи.

Асимметричное распределение c-di-GMP, наблюдаемое во время деления клеток, может быть важным регуляторным шагом в создании и приведении в действие наноразмерных инструментов на внешней поверхности клетки для выполнения важнейших видов деятельности.