Исследование может указать новые пути доставки лекарств в бактерии
Исследование того, как бактерии сохраняют свою форму и избегают механического воздействия среды, показало, что десятки генов участвуют в критически важной задаче защиты клеток от разрыва при повышении механического напряжения.
Клетки требуют различных типов оболочек для поддержания необходимых для жизни химических условий. Многие антибиотики атакуют оболочку, чтобы механически дестабилизировать бактериальные клетки. Однако до сих пор было неясно, какие гены (и создаваемые ими белки) играют роль в обеспечении жесткости бактериальной оболочки.
В исследовании, опубликованном в Cell Systems, Дуглас Вайбель и коллеги из Университета Висконсин-Мэдисон сообщают, как делеция ("нокаут") каждого из примерно 4000 генов в бактерии Escherichia coli влияет на жесткость и целостность её оболочки.
Результаты удивили из-за широкого спектра вовлеченных белков. Ранее был известен только один ген, влияющий на механику клетки E. coli. Автоматизированная система измерения жесткости выявила несколько десятков генов, кодирующих уникальные белки, удаление которых значительно влияло на жесткость.
Бактериальная клеточная оболочка состоит из клеточной стенки и мембран и является основным механическим стабилизатором. Наибольшее влияние оказал ген, кодирующий белок, строящий клеточную стенку.
Однако также были обнаружены гены, "связанные практически с каждой возможной функцией в клетке". Например, крюкообразный белок помогает соединить жгутик ("пропеллер" бактерии) с мотором, который его вращает. "Когда ген удален, клетка становится мягче. Возможно, в оболочке теперь остаются пустые отверстия".
Методология исследования
В основе эксперимента лежала система, требующая от бактерий роста в геле, что заставляло их отталкивать окружающую среду. Если клетка ослаблена потерей ключевого белка, ей труднее раздвигать гель, что приводит к замедлению роста и уменьшению количества клеток. Для проверки связи именно с жесткостью оболочки, а не с другими причинами, исследователи сравнивали рост мутантов в жидкости и в геле.
Значение и перспективы
Исследование расширяет понимание структуры бактериальных клеток. "Большинство знаний о механике клеток получены из исследований эритроцитов и клеток млекопитающих. Не многие задумывались о том, как это делают бактерии".
Лучшее понимание бактериальной оболочки может помочь:
- Выявить механизмы, которые используют известные антибиотики для разрушения механических стабилизаторов.
- Определить новые мишени для лекарств, возможно, найдя комбинации белков для одновременной атаки.
- Указать новые пути доставки лекарств в бактерии, поскольку целая оболочка защищает их от проникновения препаратов.
Это особенно важно для проблемных грамотрицательных бактерий, таких как Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Klebsiella pneumoniae, которые защищены двумя мембранами. "Разработка антибиотиков против грамотрицательных бактерий сложна, потому что именно здесь нам труднее всего транспортировать лекарства в клетки".
Исследование стало возможным благодаря развитию сверхбыстрых биологических инструментов. "Еще пять или десять лет назад мы не смогли бы этого сделать. Генетика, создание коллекции с нокаутом каждого гена и затем проведение индивидуальных механических измерений на тысячах разных мутантов, было бы безумием".
Следующая сложная задача, по словам Вайбеля, — объяснить функции обнаруженных белков: "Для некоторых из этих белков можно начать строить объяснения, почему они работают. Но для многих других мы не знаем, с чего начать поиск объяснения".