Как бактерии сохраняют и восстанавливают свою форму
Бактерии бывают разных форм и размеров: одни прямые, как палочка, другие закручены, как штопор. Форма играет важную роль в том, как бактерии проникают и атакуют клетки в организме. Спиралевидная форма Helicobacter pylori, которая может вызывать язвы, возможно, помогает ей проникать в ткани.
Бактерии обладают удивительной способностью сохранять и восстанавливать свою морфологию даже после деформации. Исследователи знают, что форма определяется клеточной стенкой, однако о том, как бактерии её контролируют, известно мало. Поскольку клеточная стенка — мишень большинства антибиотиков, понимание её роста может помочь в создании более эффективных лекарств.
Команда исследователей под руководством Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) обнаружила, что Escherichia coli (E. coli) может использовать механические сигналы для поддержания формы.
Исследование опубликовано в Nature Microbiology.
«Эта работа может раскрыть некоторые базовые принципы роста бактерий, — сказал Феликс Вонг, аспирант SEAS и соавтор статьи. — Мы показали, что связь роста клеточной стенки с механическим напряжением количественно согласуется с тем, как бактерии восстанавливали форму после деформации в экспериментах».
Вонг и старший автор Ариэль Амир, доцент прикладной математики, начали с моделирования механики клеточной стенки E. coli в условиях, которые заставляли бактерии расти в форме бублика.
В предыдущем исследовании Амир наблюдал, что при подобных изгибающих силах бактерии подвергаются пластической деформации: когда сила убиралась, клетки E. coli выпрямлялись, но не полностью. Это указывало, что рост клеточной стенки может «чувствовать» приложенную силу. Также было замечено, что клетки выпрямляются при дальнейшем росте, но объяснения этому в той работе не было найдено.
В новом исследовании команда проверила, может ли связь роста стенки с механическим напряжением — тем, как бактерия сжимается или растягивается — объяснить это частичное выпрямление и предсказать скорость полного восстановления формы.
Вонг и Амир ответили на этот вопрос с помощью теоретической модели, которая количественно предсказала и то, как бактерии будут расти, чтобы выпрямиться, и сколько времени это займёт.
Затем, совместно с экспериментальными группами докторов Ларса Реннера и Свена ван Теффелена из Института исследований полимеров Лейбница и Центра биоматериалов Макса Бергмана (Германия) и Института Пастера (Франция), они провели эксперимент с E. coli.
Модели и эксперименты согласовались друг с другом. Скорость роста клеточной стенки, зависящая от механического напряжения, предсказала скорость выпрямления, совпадающую с экспериментальной.
«Мы считаем, что наша гипотеза для бактерий напоминает рост растений, — сказал Вонг. — В ботанике хорошо установлено, что механические сигналы могут влиять на рост. Наше исследование показывает, что то же самое может быть верно и для бактерий. Однако, если механическое напряжение действительно является важным сенсорным сигналом, должен существовать молекулярный механизм, который его ощущает».
В дальнейшем исследователи надеются идентифицировать и понять эти молекулярные механизмы, что может дать новые мишени для антибиотиков в будущем.