Ученые раскрыли секрет бактерий, меняющих форму
Шестьдесят лет назад нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг впервые описал биологическую загадку. Он показал, как бактерии могут терять клеточные стенки, определяющие их форму, становясь менее заметными для иммунной системы, а позже возвращаться к исходной форме, восстанавливая инфекционный потенциал.
Используя микроскопию с интервальной съемкой и другие новые методы, профессор биоинженерии Стэнфорда K.C. Хуанг с коллегами из Стэнфорда и Принстона создали детальное описание того, как бактерии осуществляют эту трансформацию.
Эксперименты, описанные в Molecular Microbiology, предлагают пошаговое объяснение этого любопытного поведения и проливают свет на один из способов развития у бактерий устойчивости к антибиотикам.
Команда Хуанга экспериментировала с E. coli — бактерией, вызывающей пищевые отравления и хорошо изученной в лабораториях.
Их эксперименты были сосредоточены на жесткой клеточной стенке, придающей E. coli характерную палочковидную форму. В природе клеточная стенка защищает бактерию, но также посылает сигналы, которые могут предупредить иммунную систему о присутствии инфекционного агента.
«Растущая бактериальная клетка постоянно сбрасывает части своей клеточной стенки, подобно тому, как змея периодически сбрасывает кожу», — сказал Хуанг. — «Если бактерия может избавиться от клеточной стенки, она может эффективно уйти в подполье и избежать сигналов, которые инфицированный хозяин может использовать для организации ответа».
Когда жесткая клеточная стенка растворяется, бактерия становится бесформенным пузырем, называемым L-формой.
В 1950-х годах Ледерберг показал, что E. coli может какое-то время выживать в виде L-форм, а затем восстанавливать свою палочковидную форму в процессе, называемом реверсией.
Команда Хуанга создала молекулярное понимание процесса, впервые наблюдавшегося Ледербергом. Они использовали микроскопы высокого разрешения для записи покадровых изображений превращения палочковидных клеток E. coli в L-формы и последующего возвращения к палочковидной форме.
Следите за белками
Клеточная стенка E. coli «связана» белками — молекулами, которые работают вместе для выполнения многих биологических функций.
«Это как оркестр, в котором несколько белков выполняют разные роли, необходимые для построения клеточной стенки», — сказал Хуанг.
Предыдущие исследования показали, что один белок, MreB, действует как дирижер, координируя усилия нескольких других белков. Но эти исследования были сосредоточены на нормальных, палочковидных E. coli. В этом эксперименте команда Хуанга хотела понять, как MreB влияет на процесс реверсии L-форм.
«У нас было подозрение, что MreB, будучи дирижером этого оркестра во время обычного роста, также может быть критически важен для реверсии», — сказал Хуанг.
Выращивание L-форм
Под пристальным взглядом микроскопа с интервальной съемкой исследователи выращивали клетки E. coli, обработанные антибиотиком цефсулодином. Этот родственник пенициллина препятствует построению клеточных стенок у E. coli.
Цефсулодин не убивал E. coli, но по мере деления клеток и создания последующих поколений бактерии теряли свои палочковидные стенки и становились похожими на пузыри L-формами.
Биоинженеры дали L-формам расти и размножаться в течение нескольких часов, а затем удалили цефсулодин. Все это время они наблюдали за этими пузырями под микроскопом. По мере продолжения размножения клеток покадровые изображения показали, что более поздние поколения медленно восстанавливали свою палочковидную форму.
Этот эксперимент задокументировал процесс реверсии к стандартной форме, но не доказал, что MreB был необходим.
Чтобы продемонстрировать связь между палочковидной формой и MreB, инженеры провели вариант этого эксперимента.
После добавления цефсулодина и получения бесформенных L-форм они снова удалили антибиотик. Но на этот раз они добавили другой антибиотик, который специфически подавлял функцию MreB.
Два часа спустя клеточные стенки вернулись как жесткая структура, защищающая клетку. Но на этот раз клетки все еще были бесформенными, и в конечном итоге все эти деформированные клетки погибли.
«Мы обнаружили очень четкую картину: MreB был критически важен для процесса реверсии, и без MreB клетки просто увеличивались в размерах без какого-либо намека на свою нормальную форму», — сказал Хуанг.
Помимо фундаментального понимания того, как клетки поддерживают свои структуры, эти находки могут помочь исследователям понять, как некоторые бактерии адаптируются к стрессовым условиям.
Многие антибиотики, включая пенициллин, нацелены на клеточную стенку. Но бактерии могут терять свои клеточные стенки, а затем восстанавливать форму. Этот процесс реверсии может объяснить, как бактерии развивают устойчивость и устанавливают хронические инфекции. Популяции, выживающие в L-форме и возвращающиеся к исходной форме, могут быть менее восприимчивы к следующей дозе антибиотиков.
«Лучшее понимание построения клеточной стенки может привести к улучшению стратегий применения антибиотиков», — сказал Хуанг. — «И я всегда поражаюсь, открывая способы, которыми биология запрограммирована так надежно».