Учёные впервые визуализировали антибиотики и их бактериальных продуцентов одновременно
Микробы — древнейшие и самые успешные организмы на планете, использующие химию как язык для общения. Хотя исследования последних десятилетий раскрыли удивительные химические взаимодействия микроорганизмов в лаборатории, понять, что происходит в естественной среде, остаётся крайне сложно. Ключевая проблема — связать производство конкретных молекул с отдельными бактериальными клетками в сложных природных образцах. Учёные из Института химической экологии Макса Планка в сотрудничестве с Thermo Fisher Scientific сделали важный шаг в этом направлении, одновременно визуализировав распределение антибиотиков и их продуцентов в природных образцах (The ISME Journal, июль 2015).
С момента открытия пенициллина Александром Флемингом в 1928 году антибиотики произвели революцию в медицине. Их медицинское применение привело к представлению, что эти соединения в природе служат микробам оружием против конкурентов. Однако недавние открытия показали, что низкие концентрации антибиотиков могут влиять на экспрессию генов без вреда для организма-мишени, что указывает на их сигнальные функции. В целом, об экологии антибиотиков и их функции в природном контексте известно удивительно мало, несмотря на важность для медицины. Основная проблема — детектировать и количественно определять антибиотики в сложных природных образцах и наблюдать за их производством и эффектом in situ.
Для этого учёные сосредоточились на сравнительно простой системе с ограниченным числом взаимодействующих организмов: защитном союзе европейских ос-филантов (Philanthus triangulum) и бактерий рода Streptomyces. В этом симбиозе бактерии культивируются в специальных антеннальных резервуарах самок ос и позже переносятся на кокон развивающегося потомства, обеспечивая защиту от плесневых грибов во время долгой зимовки. Знание о присутствии симбионтов и производимых ими антибиотиках на коконе филанта дало учёным отличную основу для разработки метода одновременной локализации бактериальных клеток и вторичных метаболитов в природном образце.
Измерение антибиотиков на коконе было выполнено с помощью масс-спектрометрической (MS) визуализации. Этот метод использует сфокусированный лазерный луч для десорбции и ионизации соединений с поверхности образца и анализа получившихся ионов в масс-спектрометре. «Хотя пространственное разрешение MS-визуализации всё ещё ограничено, у неё огромный потенциал для детекции и визуализации химических соединений в природе благодаря широкой применимости к множеству веществ», — говорит Алеш Сватош, руководитель группы масс-спектрометрии. На коконе MS-визуализация показала неравномерное, но широкое распределение антибиотиков пиерицидина A1 и B1 по внешней поверхности.
Затем коконы подвергли флуоресцентной in situ гибридизации (FISH). Связывая флуоресцентно меченные зонды с РНК бактерий, удалось визуализировать отдельные клетки симбионта под флуоресцентным микроскопом. Нанесение на образцы меток-ориентиров, видимых как при MS-визуализации, так и при FISH, позволило учёным совместить изображения, полученные обоими методами. Это дало возможность одновременно локализовать отдельные клетки симбионта и количество антибиотиков вокруг них.
«Оба метода были известны и раньше, но их ещё никто не комбинировал. Сила этого подхода заключается в потенциале FISH локализовать и идентифицировать отдельные клетки в сложных образцах и одновременно отслеживать экологически значимые соединения с помощью MS-визуализации», — комментирует Мартин Кальтенпот, возглавлявший исследовательскую группу по симбиозу насекомых и ныне профессор Университета Майнца.
Понимание того, как микробы взаимодействуют друг с другом и с многоклеточными организмами, представляет собой фундаментальный вопрос биологии. Обнаружение и визуализация соединений в природе и идентификация их микробных продуцентов — первый шаг к тому, чтобы в конечном итоге наблюдать сложные взаимодействия прямо там, где они происходят, и понять первоначальную функцию антибиотиков и многих других химических веществ, производимых микробами.