Самые четкие изображения в истории показали пятнистую поверхность живых бактерий

Исследователи из UCL получили самые четкие на сегодняшний день изображения живых бактерий, раскрыв сложную архитектуру защитного слоя, который окружает многие бактерии и делает их более устойчивыми к антибиотикам.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что грамотрицательные бактерии с защитными внешними слоями могут иметь на своей поверхности более сильные и более слабые участки.

Команда обнаружила, что защитная внешняя мембрана бактерий содержит плотные сети белковых строительных блоков, чередующиеся с участками, которые, по-видимому, не содержат белков. Вместо этого эти участки обогащены молекулами с сахарными цепями (гликолипидами), которые сохраняют внешнюю мембрану плотной.

Это важное открытие, поскольку прочная внешняя мембрана грамотрицательных бактерий препятствует проникновению некоторых лекарств и антибиотиков в клетку. Эта внешняя мембрана является одной из причин, по которой устойчивость таких бактерий (включая A. baumannii, P. aeruginosa и энтеробактерии, такие как Salmonella и E. coli) к противомикробным препаратам теперь считается более серьезной угрозой, чем устойчивость грамположительных бактерий, таких как резистентный S. aureus (известный как MRSA).

"Внешняя мембрана — это серьезный барьер для антибиотиков и важный фактор, делающий инфекционные бактерии устойчивыми к лечению. Однако до сих пор остается не совсем ясно, как устроен этот барьер, поэтому мы решили изучить его так подробно", — пояснил автор-корреспондент профессор Барт Хогенбум.

"Изучая живые бактерии от молекулярного до клеточного масштаба, мы видим, как мембранные белки образуют сеть, охватывающую всю поверхность бактерий, оставляя небольшие промежутки для участков, не содержащих белка. Это говорит о том, что барьер может быть не одинаково трудно прорвать или растянуть по всей бактерии, а может иметь более сильные и более слабые места, которые также могут быть мишенями для антибиотиков".

Чтобы лучше понять эту архитектуру, ученые провели крошечной иглой по живым бактериям Escherichia coli (E. coli), как бы "ощупывая" их общую форму. Поскольку кончик иглы имеет ширину всего несколько нанометров, это позволило визуализировать молекулярные структуры на поверхности бактерий.

Полученные изображения показывают, что вся внешняя мембрана бактерий заполнена микроскопическими порами, образованными белками, которые позволяют проникать питательным веществам, предотвращая при этом проникновение токсинов. Хотя было известно, что внешняя мембрана содержит много белков, такая переполненная и неподвижная природа оказалась неожиданной.

К удивлению, изображения также выявили множество участков, которые, по-видимому, не содержали белков. Эти участки содержат гликолипид, который обычно находится на поверхности грамотрицательных бактерий. Кроме того, другой тип похожих на прыщики участков образовывался, когда части мембраны выворачивались наизнанку из-за мутаций. В этом случае появление этих дефектов коррелировало с повышенной чувствительностью к бацитрацину — антибиотику, обычно эффективному только против грамположительных, но не грамотрицательных бактерий.

"На стандартных изображениях внешняя мембрана бактерий показывает белки, распределенные по мембране беспорядочно, хорошо смешанные с другими строительными блоками мембраны. Наши изображения демонстрируют, что это не так, а липидные участки отделены от богатых белками сетей, подобно тому, как масло отделяется от воды, в некоторых случаях образуя бреши в броне бактерий", — объяснила Джорджина Бенн.

Команда также предполагает, что полученные данные могут помочь объяснить, каким образом бактерии могут поддерживать плотный защитный барьер, при этом позволяя себе быстро расти: обычная бактерия E. coli удваивается в размере, а затем делится за 20 минут в благоприятных условиях. Они предполагают, что гликолипидные участки могут позволять мембране растягиваться больше, чем белковые сети, что облегчает адаптацию мембраны к растущему размеру бактерии.