Бесчисленные учебники описывают бактерии как простые неорганизованные сгустки молекул.
Теперь, используя передовые технологии для беспрецедентно подробного изучения внутренней работы бактерий, биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что на самом деле бактерии имеют больше общего со сложными человеческими клетками, чем было известно ранее.
Публикуя свою работу 13 июня в журнале Cell, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, работающие в лабораториях профессора Джо Польяно и доцента Элизабет Вилья, предоставили первый пример груза внутри бактериальных клеток, перемещающегося вдоль структур, подобных беговой дорожке, в процессе, подобном к тому, что происходит в наших собственных клетках.
«Дело не в том, что бактерии скучны, но раньше у нас не было возможности детально рассмотреть их», - сказал Вилья, один из авторов статьи. «С новыми технологиями мы можем начать понимать удивительную внутреннюю жизнь бактерий и смотреть на все их очень сложные организационные принципы».
Первый автор исследования Воррапон Чайкеератисак из Отделения биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего и его коллеги проанализировали гигантский бактериофаг Pseudomonas (также известный как фаг, термин, используемый для описания вирусов, поражающих бактериальные клетки). Более ранние выводы из лабораторий Польяно и Виллы показали, что фаги превращают инфицированные ими клетки в клетки млекопитающих с расположенной в центре структурой, подобной ядру, образованной белковой оболочкой, окружающей реплицированную ДНК фага. В новом исследовании исследователи задокументировали ранее невиданный процесс, который переносит вирусные компоненты, называемые капсидами, в ДНК в центральной структуре, подобной ядру. Они следовали по мере того, как капсиды перемещались от места сборки на мембране хозяина, перемещались по конвейерной ленте, состоящей из нитей, и в конечном итоге достигали своего конечного места назначения ДНК фага.
«Они едут по беговой дорожке, чтобы добраться до того места, где ДНК находится внутри белковой оболочки, и это имеет решающее значение для жизненного цикла фага», - сказал Польяно, профессор секции молекулярной биологии. «Никто раньше не видел этот внутриклеточный груз, перемещающийся по нити в бактериальных клетках».
«То, как этот гигантский фаг размножается внутри бактерий, настолько увлекательно», - сказал Чайкиератисак. «Есть еще много вопросов, которые нужно изучить о механизмах, которые он использует для захвата бактериальной клетки-хозяина».
Открытием двери к новому открытию стала комбинация исследований с покадровой флуоресцентной микроскопией, которая предложила широкую перспективу движения внутри клетки, аналогичную карте дорог Google Earth, в координации с криоэлектронной томография, которая давала возможность увеличивать изображение «на уровне улицы», что позволяло ученым анализировать компоненты в масштабе отдельных транспортных средств и людей внутри них.
Вилла сказал, что перспектива каждого метода помогла найти ключевые ответы, но также поставила новые вопросы о механизмах транспортировки и распределения в бактериальных клетках. Каника Кханна, студентка обеих лабораторий, обучена использованию обеих технологий для получения данных и идей от каждой из них.
«Увеличение и уменьшение масштаба позволило нам наблюдать уникальный пример, когда вещества просто не распространяются случайным образом внутри бактериальных клеток», - сказал Кханна. «Эти фаги развили сложный и направленный механизм транспорта с использованием филаментов для репликации внутри своих хозяев, чего мы не могли бы увидеть иначе».
Phage заражают и атакуют многие виды бактерий и, как известно, естественным образом живут в почве, морской воде и людях. Польяно считает, что новые результаты важны для лучшего понимания эволюционного развития фагов, которые в последнее время были предметом пристального внимания.
«Вирусы, такие как фаги, изучаются уже 100 лет, но теперь интерес к ним возобновился из-за возможности их использования для фаговой терапии», - сказал Польяно.
Тип фага, изучаемый в новой статье, - это тот тип фага, который однажды можно будет использовать в новых методах лечения различных инфекций.
В прошлом году Медицинская школа Калифорнийского университета в Сан-Диего открыла Центр инновационных применений фагов и терапии (IPATH), который был запущен для разработки новых методов лечения инфекционных заболеваний, поскольку широко распространенная устойчивость к традиционным антибиотикам продолжает расти.
«Если мы поймем, как фаги действуют внутри бактерий и что они делают, конечная цель будет состоять в том, что вы сможете начать разрабатывать индивидуальные фаги для конкретных устойчивых инфекций», - сказал Вилла.
Помимо Чайкиератисак, Кханна, Польяно и Вилья, соавторами исследования являются Катрина Нгуен, Джозеф Суги, Маккеннон Иган, Марселла Эрб, Анастасия Вавилина и Кит Польяно из Отделения биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего; Пучит Нонеджуи из Университета Махидол в Таиланде; а также Элиза Невегловска и Дэвид Агард из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.