Более века ученые изучали кишечную палочку, одну из бактерий, вызывающих пищевое отравление, в качестве модели борьбы с инфекциями. Такие исследования привели к созданию множества антибиотиков, которые проникают через защитные клеточные стенки бактерий и убивают их.
Теперь исследование, проведенное в нескольких университетах под руководством биоинженера из Стэнфорда К. С. Хуанга, показывает, что E. coli удалось сохранить большой секрет своей защиты. Он и его сотрудники сообщают в журнале Nature, что ученые упустили из виду удивительную физическую силу тонкой внешней мембраны, которая цепляется за E.прочная клеточная стенка coli.
Ученым давно известно, что многие бактерии имеют наружные мембраны. Но до сих пор исследователи думали об этом как о слое термоусадочной пленки, который просто затруднял проникновение антибиотиков в клетки. Но, как показывает новое исследование, внешняя мембрана физически защищает клетку и может стать хорошей мишенью для нового класса антибактериальных препаратов.
«Мы обнаружили, что внешняя мембрана может действовать как броня, которая на самом деле прочнее клеточной стенки», - сказал Хуан, доцент кафедры биоинженерии, микробиологии и иммунологии. «Унизительно думать, что эта функция пряталась у всех на виду все эти годы».
Хуанг сказал, что результаты предлагают новые стратегии борьбы с инфекцией примерно для половины всех видов бактерий, которые, как E. coli, имеют наружные мембраны. «Если мы сможем атаковать внешнюю мембрану, инфекционные бактерии будут предварительно ослаблены для нацеливания на лечение антибиотиками, которые разрушают клетки другими способами», - сказал он.
Химические экраны
Все бактерии имеют клеточную стенку, которая окружает и защищает внутреннюю работу клетки. Много десятилетий назад ученые обнаружили, что E. coli и многие другие бактерии имеют дополнительный слой, называемый внешней мембраной, который окружает их клеточные стенки.
С момента своего открытия эта внешняя мембрана использовалась как способ классификации бактерий на те, которые реагируют и не реагируют на распространенный метод окрашивания, называемый окрашиванием по Граму. Бактерии с внешней оболочкой не реагируют на химическое окрашивание, называются грамотрицательными. Бактерии с голыми клеточными стенками реагируют на краску и классифицируются как грамположительные.
Оба вида бактерий могут стать заразными, и, когда это происходит, наличие или отсутствие внешней мембраны также может помочь определить, насколько они реагируют на антибиотики. Грамотрицательные бактерии, имеющие наружные мембраны, как правило, более устойчивы к антибиотикам.
«Ученые знали, что внешние мембраны представляют собой химический щит», - сказал Хуанг. «Таким образом, было легко превратить этот третий слой в раздражающий элемент при дозировании антибиотиков».
Удивительная сила
В последние годы, однако, исследователи получили ключи к разгадке того, что внешняя мембрана важнее, чем они думали. В одном исследовании лаборатория Хуанга удалила клеточную стенку кишечной палочки, но оставила ее внешнюю мембрану нетронутой. Неудивительно, что бактерии потеряли форму огурца и превратились в капли. Но большая часть этих капель выжила, размножилась и в конечном итоге регенерировала новую кишечную палочку в форме огурца.
Энрике Рохас, бывший научный сотрудник лаборатории Хуанга и первый автор новой статьи, сказал, что исследование является ключом к тому, что внешняя мембрана должна играть важную структурную и защитную роль.
«Мы только что прослушали данные. Наука - это данные, а не догмы», - сказал Рохас, ныне доцент биологии в Нью-Йоркском университете.
За последние четыре года, работая с сотрудниками из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Университета Висконсин-Мэдисон, члены группы проверили структурные свойства внешней мембраны.
Они внезапно понизили давление внутри бактерий, но вместо того, чтобы заставить клеточную стенку сильно сжиматься, как предсказывали преобладающие предположения, они обнаружили, что внешняя мембрана была достаточно прочной, чтобы почти полностью поддерживать кишечную палочку. форма огурца.
В других экспериментах они подвергли клетки кишечной палочки двухчасовому быстрому повышению и понижению давления. Клетки кишечной палочки обычно не обращают внимания на эти повторяющиеся оскорбления и растут, как будто никаких изменений не произошло. Однако когда исследователи ослабили внешнюю мембрану, клетки быстро погибли.
«Наличие или отсутствие прочной внешней мембраны - это разница между жизнью и смертью», - сказал Хуанг.
Эксперименты определили несколько компонентов, которые придают внешней мембране ее удивительную прочность. По словам Хуанга, лекарства, которые дестабилизируют обманчиво тонкий внешний слой, могут помочь уничтожить инфекционные бактерии.
Хуанг добавил, что результаты являются частью новой области исследований, называемой механобиологией. В то время как ученые когда-то рассматривали клетки как мешки с химическими веществами, которые нужно изучать химическими методами, сегодня слияние инструментов раскрывает бесконечно сложные структурные свойства, которые заставляют клетки и органы работать.
"Это очень интересное время для изучения биологии", - сказал Хуанг. «Мы приближаемся к моменту, когда наши инструменты и методы станут достаточно точными, чтобы различать, иногда почти на атомном уровне, физические законы, порождающие жизнь».