Многие бактерии выделяют мембранные везикулы, представляющие собой наносферы, состоящие из клеточной мембраны, содержащей различные биомолекулы. Мембранные везикулы могут транспортировать ДНК и белки и участвуют во взаимодействиях с бактериями. У них есть потенциальное применение в нанотехнологиях и биомедицине; например, при лечении рака. Однако образование мембранных везикул бактериями в настоящее время недостаточно изучено. В частности, оставался загадкой механизм высвобождения мембранных везикул грамположительных бактерий, имеющих очень толстую клеточную стенку.
В рамках совместных усилий японские и швейцарские исследователи исследовали образование мембранных везикул на модели грамположительной бактерии Bacillus subtilis. Команда смогла визуализировать высвобождение мембранных везикул, используя методы визуализации живых клеток и современную электронную криотомографию. Визуализация живых клеток позволяет отслеживать судьбу клеток во время образования мембранных везикул в режиме реального времени, а электронная криотомография позволяет получать трехмерные структуры клеток с высоким разрешением в почти нативном состоянии.
Визуализация живых клеток показала, что клетки, выпустившие мембранные везикулы, погибли, но сохранили свою клеточную структуру. Электронная криотомография также показала, что в клеточной стенке образовались небольшие отверстия, через которые выпячивалась клеточная мембрана и образовывались везикулы. Серия экспериментов показала, что отверстия в клеточной стенке были образованы эндолизином, ферментом, который обычно используется вирусами (фагами), заражающими бактерии, для разрушения клеточной стенки своих хозяев, чтобы вызвать их высвобождение в окружающую среду.
«Это один из первых примеров, ясно показывающих, как мембранные везикулы образуются у грамположительных бактерий», - говорит первый автор Масанори Тойофуку (Университет Цукуба, Цюрихский университет). «Мы обнаружили, что мембранный материал выдавливается через отверстие в клеточной стенке, образует везикулу, а затем в конечном итоге отделяется от клетки».
Эксперименты по визуализации живых клеток также показали, что образование мембранных пузырьков клеткой может вызвать образование пузырьков в соседних бактериях, поскольку высвобождаемый эндолизин повреждает клеточную стенку соседних клеток.
Эндолизин, как было показано ранее, индуцирует образование мембранных везикул у грамотрицательных бактерий. Таким образом, выводы группы еще больше усиливают важность эндолизинов в производстве мембранных везикул у бактерий, предполагая универсальный механизм образования. Было высказано предположение, что производство мембранных везикул важно для нейтрализации агентов окружающей среды, таких как антимикробные пептиды или бактериофаги, которые нацелены на мембраны бактерий.
«Учитывая большое количество фагов в окружающей среде и другие механизмы, разрушающие клеточную стенку, лизис клеток может играть важную роль в образовании мембранных везикул в природе», - говорит Лео Эберл (Цюрихский университет). «Было бы интересно выяснить пропорции везикул в окружающей среде, которые возникают в результате лизиса клеток, и альтернативные механизмы».
Знание о том, что эндолизины вызывают образование мембранных везикул у бактерий, может способствовать их использованию в нанотехнологиях и биомедицине.
"Мы полагаем, что массовое производство мембранных везикул может быть достигнуто путем разработки бактериальных штаммов с искусственным производством эндолизина", - объясняет Нобухико Номура (Университет Цукуба).