Как метаболит индол влияет на энергетику бактерий
Исследователи из Техасского университета A&M под руководством доктора Пушкара Леле изучили, как индол — органическое соединение и важный компонент бактериального экзометаболома — влияет на энергетические уровни и функции белков у бактерий. Понимание разнообразных эффектов этого метаболита критически важно, поскольку индол может способствовать развитию антибиотикорезистентности.
Исследование опубликовано в PNAS Nexus.
Микроорганизмы выделяют метаболиты — вещества, способные расщеплять пищу, химикаты и другие продукты. Совокупность этих метаболитов составляет экзометаболом. Индол широко представлен в экзометаболоме и, как известно, оказывает значительное влияние на функции бактерий, однако механизмы этого влияния оставались плохо изученными.
Учёные попытались понять фундаментальные принципы действия индола на Escherichia coli (E. coli). Для этого аспирант Рачит Гупта провёл серию экспериментов по оценке энергетических уровней в бактериальных клетках в присутствии индола. Энергия необходима клеткам для ключевых функций, таких как деление или подвижность, на которые может влиять индол. Однако измерить энергию в отдельных клетках сложно из-за их микроскопических размеров.
«Мы объединили несколько различных методик, включая флуоресцентные красители, интенсивность свечения которых зависит от величины электрического потенциала клетки — основного источника её энергии, — пояснил Леле. — В частности, мы сфокусировались на подвижности клеток и активности молекулярных моторов, которые косвенно отражают уровни энергии».
Измерения на уровне отдельных молекулярных моторов показали, что индол влияет на энергетику только при высоких концентрациях, рассеивая электрохимический протонный градиент E. coli. Затем Гупта провёл компьютерное моделирование белковых взаимодействий на основе моделей статистической механики и сравнил прогнозы с экспериментальными данными. Сравнение показало, что индол в низких концентрациях вмешивается в белок-белковые взаимодействия, увеличивая «шум» в ферментативной активности и изменяя функцию.
«В низких концентрациях индол влияет на меж- и внутрибелковые взаимодействия, а в высоких — рассеивает мембранный потенциал. Это потенциально объясняет широкий спектр воздействия индола на поведение клетки», — отметил Леле.
Эти исследования могут пролить свет на то, как патогены вторгаются в организм. Например, индол, по-видимому, оказывает разное влияние на патогенные и полезные бактерии в кишечнике, что в определённых условиях может помогать патогенам преодолевать защиту, создаваемую «хорошими» бактериями. С другой стороны, согласно более ранней работе группы, индол способствует колонизации полезными бактериями. Для точного определения эффектов индола на физиологию бактерий предстоит ещё много работы.
Бактерии, у которых недостаточно энергии для выполнения ключевых функций, на которые нацелены антибиотики, часто выживают в летальных условиях. Таким образом, рассеивание энергии индолом может лежать в основе неудач антибиотикотерапии в присутствии этого метаболита. Поскольку выработка метаболитов связана с диетой, такие открытия могут помочь в разработке персонализированных методов лечения на основе питания.
«Следующий шаг — выяснить, почему индол по-разному действует на патогены и полезные бактерии. Это позволит создать прогностические модели уязвимостей бактериальных сообществ в организме хозяина, — сказал Леле. — Кроме того, понимание роли нарушителей энергетики в модуляции структуры формирующихся микробных сообществ поможет в создании сообществ с желаемыми свойствами».