Бактерии контролируют свои «прогулки», как и мы? Это может показаться странным, но это фундаментальный вопрос. Понимание подвижности бактерий не только расширило бы наше понимание их поведения, но и помогло бы нам бороться с некоторыми агрессивными патогенами. Однако вопрос остался без ответа, потому что у микробиологов не было инструментов для непосредственной визуализации бактериальных филаментов.
До сих пор, то есть. Лоренцо Тала, аспирант лаборатории Александра Перса в Институте биоинженерии и глобального здравоохранения EPFL, разработал метод микроскопии, с помощью которого можно напрямую наблюдать за структурами, которые многие бактерии используют для ползания.
«Поверхности бактерий украшены белковыми филаментами, участвующими в подвижности, адгезии, передаче сигналов и патогенности, которые в конечном итоге определяют, как бактерии взаимодействуют с окружающей средой», - говорит Тала. «Однако они настолько малы, что наблюдать за ними в живых клетках чрезвычайно сложно. Поэтому у нас мало знаний об их динамической активности».
Это особенно верно для структур, известных как «пили типа IV»: нити нанометровой ширины, которые вытягиваются и втягиваются с поверхности многих бактерий, помогая им ходить способом, известным как «подергивание подвижности». Термин может показаться не очень серьезным, но он механически активирует вирулентность некоторых патогенов, а это означает, что они являются главной целью для борьбы с ними.
Ученые изучили бактерию Pseudomonas aeruginosa, условно-патогенный микроорганизм, который обычно встречается в почве. Это одна из наиболее опасных с медицинской точки зрения бактерий: основная причина внутрибольничных инфекций и серьезных инфекций при муковисцидозе, травматических ожогах и у пациентов с ослабленным иммунитетом. В настоящее время она занимает первое место в списке устойчивых к антибиотикам Всемирной организации здравоохранения.
Но управляют ли отдельные бактерии движением пилей типа IV, чтобы обеспечить их подвижность? «В наших исследованиях пили типа IV и механоактивации вирулентности у Pseudomonas aeruginosa один технический парадокс был источником разочарования: пили, а также фимбрии, жгутики и инъекционные системы постоянно выходят за пределы отдельных клеток, так почему бы не мы их непосредственно визуализируем?"
Чтобы преодолеть это, ученые изучили новый метод микроскопии, впервые предложенный их сотрудником Филиппом Кукурой из Оксфордского университета. Используя технику, называемую интерферометрической микроскопией рассеяния (iSCAT), они смогли увидеть эти нанометровые нити в живых клетках, без каких-либо химических меток, на высокой скорости и в трех измерениях..
«iSCAT представляет собой крупный технологический прорыв в микробиологии, - говорит Персат. «Недавно мы описали метод визуализации и получили множество положительных отзывов от ученых из различных дисциплин просто потому, что наконец смогли динамически наблюдать пили в живых бактериях прямо из культуры."
Чтобы понять координацию движений пилей типа IV, ученые сосредоточились на точном определении времени последовательности поверхностного прикрепления, ретракции и смещения тела клетки с помощью iSCAT. Подход выявил три ключевых события, которые приводят к успешному и энергетически эффективному движению по поверхности.
Во-первых, контакт кончика пилуса с поверхностью активирует молекулярный мотор, который инициирует ретракцию. Во-вторых, это втягивание усиливает прикрепление пилуса к поверхности, увеличивая смещение бактерии. Наконец, второй, более сильный молекулярный мотор обеспечивает перемещение бактерии при сильном трении.
Эта последовательность показывает, что пили действуют как датчики, и раскрывает новый механизм взаимодействия бактерий с поверхностями. Это также показывает, что бактерии используют сенсорные механизмы для координации динамического движения своих механизмов подвижности, что поразительно похоже на то, как высшие организмы, включая людей, двигают конечностями, чтобы вызвать перемещение.
«Центральная нервная система человека обрабатывает механосенсорные сигналы, чтобы последовательно задействовать двигательные компоненты, тем самым вызывая сокращение мышц и приводя к походке», - объясняет Тала. «Наша работа показывает, что таким же образом бактерии используют осязание, чтобы последовательно задействовать молекулярные моторы, генерируя циклы вытягивания и втягивания пилей, что приводит к модели ходьбы».