Исследование, опубликованное 17 февраля в журнале Science под руководством исследователей из Университета Индианы и Гарвардского университета, впервые подробно раскрыло работу биохимического часового механизма, управляющего клеточным делением у бактерий.
Открытие, ставшее возможным благодаря революционному методу окраски стенок бактериальных клеток, разработанному в IU, является важным шагом вперед в исследованиях роста бактерий и может способствовать усилиям по разработке лекарств для борьбы с бактериями, устойчивыми к антибиотикам.
Во всем мире устойчивые к антибиотикам бактерии, или «супербактерии», представляют серьезную опасность для здоровья человека. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, около 480 000 человек ежегодно заболевают туберкулезом с множественной лекарственной устойчивостью. По оценкам Центров по контролю за заболеваниями США, каждая четвертая внутрибольничная инфекция у пациентов, находящихся на длительном лечении, вызвана шестью основными штаммами микробов.
«Это первое исследование, которое «соединяет точки» между каждой частью клетки, участвующей в клеточном делении бактерий», - сказал Ив Брун, профессор биологии Клайда Калбертсона в Блумингтонском колледже искусств и наук IU. кафедры биологии, который является автором исследования. «Мы, наконец, замкнули круг на этом механизме и открыли двери для более точных методов борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями.
«Если вы понимаете, как работает двигатель, вы можете отключить его, сняв одну деталь», - сказал Брун. «Вам больше не нужно бросать молот в работу, чтобы разрушить его».
Ранние антибиотики, такие как пенициллин, функционировали как молоток: тупой инструмент, который разрушает бактериальную клетку в процессе деления, обманывая ферменты, образующие клеточную стенку, называемые пенициллин-связывающими белками, или PBP, чтобы они связывались с лекарством, а не строительные блоки клеточных стенок, в результате чего стены разрушаются, а клетки взрываются.
Другие части клетки, которые управляют бактериальным делением, включают белки цитоскелета, называемые FtsA и FtsZ, которые образуют каркасоподобные волокна внутри клеток для управления строительством клеточной стенки. Все три элемента должны координироваться, чтобы построить клеточную стенку в середине клетки, чтобы гарантировать, что материал внутри не ускользнет после того, как он разделится пополам.
Тот факт, что эти три части клетки играют роль в клеточном делении, известен, но новое исследование впервые показывает, как именно они координируются. По сути, сказал Брун, FtsZ действует как «мастер», который направляет движение «рабочих» PBP, когда они строят клеточную стенку.
Исследователи смогли обнаружить действие высокотехнологичных разноцветных красителей, называемых флуоресцентными D-аминокислотами, или FDAA, обнаруженных пять лет назад в лаборатории Майкла ВанНьювензе, профессора Блумингтонского колледжа IU. Химического факультета искусств и наук, который является соавтором исследования.
«Применение различных цветов этих красителей в процессе построения клеточной стенки выявило «бычий глаз», указывающий на то, что круглая стенка строится от внешнего края клетки внутрь к центру», - сказал ВанНьювензе..
Исследование также решает еще одну загадку: как молекулы FtsZ строят стену? Исследователи обнаружили, что FtsZ, образующий биохимическую цепь, называемую нитью, постоянно теряет молекулу на одном конце и приобретает молекулу на другом конце, что приводит к круговому движению по краю клетки, описанному как «беговая дорожка».
Исследователи IU химически пометили клетки для анализа. Гарвардские ученые провели эксперименты, показавшие движение белков FtsZ и PBP внутри клетки.
Предмет патента США, поданного IU Research and Technology Corp., красители FDAA сыграли важную роль в десятках других научных работ о бактериях с 2012 года. Лаборатория ВанНьювензе также имеет около 50 соглашений о передаче материалов с исследователями. по всему миру, чтобы обеспечить доступ к инструменту.
Разработкой красителей в IU руководил Эркин Куру, бывший доктор философии. студент в лабораториях VanNieuwenhze и Brun, который в настоящее время является научным сотрудником в Гарварде. Куру и Йен-Пан Хсу, доктор философии IU. студент также в лабораториях VanNieuwenhze и Brun, являются соавторами исследования.
«Впервые мы смогли наблюдать клеточное деление как динамический процесс, то есть процесс, происходящий во времени», - сказал Куру. «Раньше это было невозможно, потому что у нас не было инструментов, чтобы увидеть это».
Хсу добавил, что «визуализация этих клеточных структур - непростая задача, если учесть, что организм, который их содержит, имеет ширину менее микрометра - или одной тысячи миллиметров». Мы не смогли бы измерить флуоресцентные картины в этих клетках без технологии в Центре визуализации световой микроскопии IU».