Ученые выяснили, как бактерии образуют крошечные капельки жидкости из белков, чтобы помочь им выжить в суровых условиях и, таким образом, снизить вероятность гибели от антибиотиков.
Исследование показывает, как агресомы - крошечные капельки жидкости, собранные из нескольких различных белков - формируются в ответ на увеличение стресса, испытываемого бактериями, и что эти бактерии могут образовывать агресомы, которые более успешно переносят эти стрессы.
Исследовательская группа под совместным руководством ученых из Йоркского и Пекинского университетов обнаружила, что экологические стрессы связаны со снижением уровня химического вещества под названием АТФ, известного как «универсальная валюта клеточной энергии», внутри организма. бактерии. Считается, что это снижение может повлиять на растворимость ключевых клеточных белков, что способствовало их сборке в капли.
Исследование может помочь разгадать тайну того, как некоторые виды бактерий могут выживать при длительном лечении антибиотиками и, мутируя их гены, увеличивать вероятность формирования полной устойчивости к антибиотикам.
Используя передовую оптическую микроскопию и вычислительное моделирование, исследователи показали, что образование капель объясняется физикой «разделения фаз жидкость-жидкость».
Ученые говорят, что силы притяжения между молекулами в растворе сводят их вместе, образуя полустабильные сборки, которые обладают интересными жидкими свойствами и, в случае агресом, включают до нескольких сотен молекул различных белков. Молекулы внутри агресомы остаются свободными для движения, как и в любой жидкости, и вращаются с другими молекулами вне агресомы.
Собирая белки в капли, которые необходимы для основных клеточных процессов, бактерии эффективно сохраняют их во время стресса, пока клетка отключается, сохраняя их в безопасности, когда вредная среда отступает, помогая клетке снова восстанавливаться.
Соавтор исследования, профессор Марк Лик с факультета физики и факультета биологии Йоркского университета, сказал: «Наше исследование показывает, что агресомы в бактериях представляют собой высокодинамичные структуры. мы бы назвали их «органеллами клетки», но у них нет внешней мембраны, которую мы обычно находим в более изученных органеллах, таких как ядро внутри наших собственных клеток.
Полагаться на более фиксированные структуры, такие как связанные с мембраной органеллы, слишком медленно: они не позволяют бактериям достаточно быстро реагировать на быстро меняющуюся среду, поскольку требуется время, чтобы создать и разрушить мембрану и выбрать, какие молекулы компоненты могут входить и выходить. Агресомы преодолевают эту проблему, вообще не используя мембрану. Вместо этого, что примечательно, бактерии адаптировали базовую физику фазового разделения в жидкостях, чтобы помочь себе выжить».
В исследовании участвовала международная группа исследователей из различных дисциплин, включая биофизику, микробиологию, генетику, математику и информатику.
Команда использовала флуоресцентные метки на агрессивных белковых молекулах, чтобы отслеживать их расположение в живых клетках бактерий кишечной палочки, очень похожих на те, что находятся в нашем кишечнике. Они использовали математическое моделирование и компьютерное моделирование, чтобы определить, как разделение фаз жидкость-жидкость приводит к наблюдаемому образованию высокодинамичных белковых капель.
Профессор Лик добавил: «Единственный способ, которым мы могли бы получить это новое понимание, - это большая команда с опытом, охватывающим несколько дисциплин, с использованием достижений в области экспериментальной биофизики моей команды, инновационных теоретических подходов команды Тома Маклиша в Йорк, а также ультрасовременную бактериальную генетику от группы Фань Бая в Пекине.
Исследования в понимании работы этих замечательных капель биологической жидкости в масштабе отдельных молекул, как мы сделали здесь, могут помочь нам понять, почему что-то идет не так в случае некоторых заболеваний, вызванных не только бактериями, но и также при состояниях иммунной системы и деменции, которые, по-видимому, включают молекулярные сборки, подобные каплям. Это может помочь проложить путь к новым лекарствам, которые либо предотвращают образование определенных капель, либо нацелены на их разрушение».