Метод без меток раскрывает секреты изменения формы бактерий
Ученые давно знают, что бактерии бывают разных форм и размеров, но понимание значения этих различий оставалось серьезной проблемой, особенно для видов, которые нельзя вырастить в лаборатории.
Исследование под руководством Нины Уэйл, доцента кафедры микробиологии, генетики и иммунологии Университета штата Мичиган (MSU), представляет метод, который может изменить подход к изучению бактериального разнообразия.
Работа, опубликованная в журнале mSphere, посвящена крошечному некультивируемому патогену Pasteuria ramosa, который заражает водных ракообразных Daphnia. Эти бактерии являются плеоморфными, то есть могут принимать несколько форм в течение своего жизненного цикла.
До сих пор ученым приходилось полагаться на флуоресцентные метки — специальные маркеры, требующие детального знания биологии бактерии, — чтобы сортировать и изучать эти разные формы. Но для большинства бактерий, особенно обитающих в почве, воде или внутри животных, такая информация просто отсутствует.
Новый метод идентификации бактерий
Команда Уэйл нашла решение этой проблемы. Используя проточную цитометрию с визуализацией (imaging flow cytometry), они разработали метод без меток, который идентифицирует бактерии по тому, как они рассеивают свет и естественно флуоресцируют. Эти «световые сигнатуры» позволяют исследователям сортировать разные бактериальные формы без необходимости предварительно их метить.
Уэйл сравнивает разные бактериальные формы (морфологии) с членами футбольной команды. Хотя все они принадлежат к одной команде, у каждого своя роль: одни — тренеры, другие — игроки, и они ведут себя по-разному.
«Чтобы понять, что делает каждая морфология, нам нужно отделить ее от других, чтобы понять, какие гены или белки она экспрессирует», — сказала Уэйл.
«По аналогии, нам нужно разделить тренеров и игроков, чтобы биологически "опросить" каждую группу о ее функциях. Это похоже на то, что мы изобрели процедуру, чтобы впервые отличить футболистов от тренеров по их форме; теперь нам не нужно подходить к ним и вешать бейджики с надписями "игрок" и "тренер", чтобы их различить».
Значение для микробиологических исследований
Метод не только точен, обеспечивая чистоту образцов более 90%, но и открывает двери для изучения бактерий, которые ранее были недоступны.
Теперь исследователи могут изучать, как разные формы влияют на поведение бактерий, например, на способность вызывать заболевание, расти или распространяться на новых хозяев, даже если их нельзя вырастить в чашке Петри или они ранее не изучались.
Эта фундаментальная работа может иметь широкие последствия. Она может помочь ученым понять, как бактерии эволюционируют и взаимодействуют, и даже привести к новым способам подсчета или культивирования трудноизучаемых микробов.
Дэниел Восель, бывший помощник директора Центра проточной цитометрии MSU, является ведущим автором статьи. Он отмечает, что эта новая техника способствовала росту интереса к проточной цитометрии с визуализацией.
«Этот метод действительно показывает, куда движется область проточной цитометрии, в частности, переход к аутофлуоресцентному фенотипированию, то есть использованию естественной флуоресценции клеток для их идентификации», — сказал Восель.
«Он также демонстрирует преимущества проточной цитометрии с визуализацией и то, как она может очищать клеточные популяции, улучшать открытия и быстро идентифицировать редкие события».
Будущие направления
Далее Уэйл надеется использовать эту технику, чтобы изучить, как Pasteuria ramosa манипулирует своими хозяевами-дафниями, иногда заставляя их аномально сильно расти или становиться ярко-оранжевыми перед смертью. Разделяя и анализируя каждую бактериальную форму, ее команда стремится раскрыть генетические и химические стратегии, лежащие в основе этих драматических эффектов.
«Тот факт, что существует связь между формой и функцией, знаком всем: крылья бабочек позволяют им летать, клювы колибри — пить нектар. Но мы могли изучать роль бактериальной формы лишь у небольшой доли бактерий, которые можно вырастить в лаборатории, и даже эти бактерии не всегда проявляют весь спектр своих форм в чашке Петри», — сказала Уэйл.
«Наша новая методология позволит ученым исследовать взаимосвязь между формой и функцией во всем древе жизни бактерий и в средах, где они обитают естественным образом».