Метаболизм бактерий: Новый метод раскрывает взаимодействия хозяина и микроба

Загадочный мир бактерий, живущих как симбионты или паразиты в организмах животных, часто остаётся для исследователей загадкой. Под руководством профессора Мануэля Либеки Кильский университет (CAU) и Институт морской микробиологии Макса Планка в Бремене изучают взаимодействия микробов и их хозяев. Однако до сих пор не хватало понимания того, что именно бактерии делают в своей естественной среде.

Часто бактерии невозможно культивировать в лаборатории, и учёные вынуждены полагаться на информацию из бактериального генома, полученного из образцов окружающей среды. Чтобы решить эту проблему, учёные начали исследовать метаболом бактерий — всё, что связано с их метаболизмом, включая метаболиты, такие как сахара или жиры.

В новаторском исследовании команда Либеки разработала метод, позволяющий идентифицировать отдельные бактерии и одновременно определять, какие метаболиты присутствуют в клетках, без культивирования бактерий в лаборатории. Этот метод позволяет изучать, как бактерии живут и выживают в качестве симбионтов, например, в мидиях. Команда проанализировала сотни метаболитов на площади меньше одного квадратного миллиметра. Результаты были опубликованы в Nature Protocols в сентябре.

Замороженный момент позволяет детально наблюдать

«Мы создаём, так сказать, моментальный снимок бактерий за работой, именно такими, какими они активны в своей естественной среде, особенно внутри животной клетки», — пояснил Либека. «И мы можем делать это с впечатляющим разрешением в несколько микрометров, примерно в десять раз тоньше человеческого волоса».

Особенность метода — использование мгновенно замороженной ткани, которую нарезают тончайшими слоями. Затем исследователи используют специальную технику масс-спектрометрии, называемую MALDI-MSI (матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация с визуализацией), чтобы создать снимок химических соединений в клетках.

Однако сделать правильные выводы из изображений метаболитов можно только в том случае, если известно, какие бактерии их производят или используют. Чтобы решить эту проблему, исследователи также применяют флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH) для идентификации и локализации отдельных бактериальных клеток в образце.

«Применение этого метода к сообществам хозяин-микроб даст нам много захватывающих новых данных о химической коммуникации между организмами», — сказал Патрик Бурсо из Института морской микробиологии Макса Планка, ведущий автор протокола по применению метода.

Эта работа открывает новые возможности для изучения бактерий и их взаимодействия с хозяином. Кроме того, представленный метод предлагает перспективные применения в будущем: разработанный в Институте Макса Планка в Бремене, он теперь используется новой рабочей группой Либеки в CAU для изучения микробиома кишечника человека и его влияния на метаболизм. Это, например, может помочь лучше понять воспалительные заболевания кишечника. С публикацией детального протокола применение техники стало доступно другим исследователям по всему миру.

Таким образом, применение микроскопии и метаболомики (области исследований, посвящённой изучению метаболитов) даёт представление о функциональной и химической экологии взаимодействий хозяина и микроба. Постоянный прогресс в технологии MALDI-MSI позволяет визуализировать микробные колонии, биоплёнки, отдельные эукариотические клетки и даже бактериальные микроколонии. Сегодня технология MALDI-MSI находится на пороге возможности получения изображений отдельных бактериальных клеток. Представленный протокол закладывает основу для анализа и понимания метаболических взаимодействий вплоть до микрометрового уровня.