Ученые показывают, как некоторые патогенные бактерии, такие как микобактерии, вызывающие туберкулез, используют ранее неизвестный механизм для координации своего деления. Открытие может помочь разработать новые способы борьбы с ними.
Большинство палочковидных бактерий делятся на две части посередине после того, как их ДНК благополучно реплицировалась и разделилась на противоположные концы клетки. Этот, казалось бы, простой процесс на самом деле требует тесной и точной координации, которая достигается за счет двух биологических систем: нуклеоидной окклюзии, которая защищает генетический материал клетки от деления до тех пор, пока она не реплицируется и не разделяется, и системы «миниклетки», которая локализует место деления вокруг середина клетки, где сформируется перегородка, разделяющая ее на две части.
Но некоторые патогенные бактерии, напр. Mycobacterium tuberculosis, не используйте эти механизмы. Ученые EPFL впервые объединили оптическую и атомно-силовую микроскопию для отслеживания деления таких бактерий и обнаружили, что вместо этого они используют волнообразный «волнообразный узор» по всей своей длине, чтобы отметить будущие места деления. Результаты опубликованы в журнале Nature Microbiology.
Работа проводилась совместно лабораториями Джона МакКинни и Георга Фантнера в EPFL. Ученые хотели понять, как бактерии, не имеющие генов нуклеоидной окклюзии и системы миниклеток, «решают», где и когда делиться. Это важно, так как многие патогенные бактерии попадают в эту категорию, и знание того, как они делятся, может открыть новые способы борьбы с ними.
Исследователи сосредоточились на Mycobacterium smegmatis, непатогенном родственнике M.tuberculosis. Ни одна из этих бактерий не использует две «обычные» биологические системы для координации деления, а это означает, что для их изучения необходим нетрадиционный подход.
Исследователи объединили два типа микроскопии для отслеживания жизненного цикла бактерий. Первым методом была оптическая микроскопия, в которой используются флуоресцентные метки, чтобы «видеть» различные биологические структуры и биомолекулы. Вторым методом была атомно-силовая микроскопия, которая позволяет получать изображения структур на поверхности клетки с чрезвычайно высоким разрешением путем «ощупывания» поверхности крошечным механическим зондом, во многом подобно тому, как слепой человек может сформировать трехмерный мысленный образ объекта с помощью водя руками по его поверхности.
«Этот эксперимент представляет собой самый продолжительный эксперимент по непрерывной атомно-силовой микроскопии, когда-либо проводившийся на растущих клетках», - говорит Георг Фантнер, а Джон МакКинни добавляет: «Он иллюстрирует возможности новых технологий не только для анализа вещей, о которых мы уже знали. с большим разрешением, но и открывать новые вещи, которых мы не ожидали."
Вооружившись специальным прибором, сочетающим в себе эти два метода, ученые создали долгосрочные временные интервалы роста и деления бактерий на протяжении нескольких поколений. Неожиданно они обнаружили, что бактерии создают волнообразные «желобообразные» узоры по всей своей длине. Эти морфологические ориентиры на волнистой поверхности микобактериальных клеток соответствуют будущим местам клеточного деления.
Впадины представляют собой примерно повторяющиеся волны, средняя длина волны которых, по расчетам ученых, составляет ~ 1,8 мкм, а амплитуда слишком мала для разрешения с помощью обычных микроскопов (около 100 нм). Это может быть причиной того, что ранее не сообщалось о впадинах формы волны.
Покадровые изображения также показали, что после того, как микобактерия делится, новые «дочерние» клетки наследуют структуру волнообразных впадин «материнской» клетки и в конечном итоге делятся в самом центре волнообразных впадин.
Волновые желоба могут образовывать до трех поколений, прежде чем они будут использованы в качестве мест деления. По словам Александра Эскандаряна, ведущего автора исследования, эти морфологические особенности являются «безусловно, самыми ранними известными ориентирами будущих участков деления у бактерий.«Основываясь на этих наблюдениях, будущие исследования будут сосредоточены на выявлении основных механизмов, ответственных за формирование и распространение волновых желобов, а также на задействование механизмов клеточного деления.