1
Tedy až dosud. Lorenzo Talà, doktorand v laboratoři Alexandre Persata v Ústavu bioinženýrství a globálního zdraví na EPFL, vyvinul mikroskopickou metodu, která dokáže přímo pozorovat struktury, které mnohé bakterie využívají k plazení.
„Povrch bakterií je zdoben proteinovými vlákny, která se podílejí na pohyblivosti, adhezi, signalizaci a patogenitě a která v konečném důsledku určují, jak bakterie interagují se svým prostředím,“ říká Talà. „Jsou však tak malá, že jejich pozorování v živých buňkách je nesmírně složité. Takže nám zbývá jen málo poznatků o jejich dynamických aktivitách.“
Týká se to zejména struktur známých jako „pili IV. typu“: nanometrových vláken, která se vysouvají a zasouvají z povrchu mnoha bakterií a pomáhají jim chodit způsobem známým jako „škubající se pohyblivost“. Tento termín možná nezní příliš vážně, ale u některých patogenů mechanicky aktivuje virulenci – což znamená, že je hlavním cílem boje proti nim.
Vědci studovali bakterii Pseudomonas aeruginosa, oportunní patogen, který se běžně vyskytuje v půdě. Jedná se o jednu z lékařsky nejznepokojivějších bakterií: je hlavní příčinou nemocničních infekcí a závažných infekcí při cystické fibróze, traumatických popáleninách a u pacientů se sníženou imunitou a v současné době je na prvním místě na seznamu Světové zdravotnické organizace, která ji řadí mezi bakterie odolné vůči antibiotikům.
Ale organizují jednotlivé bakterie pohyb pili typu IV, aby poháněly svou pohyblivost? „V našich studiích pili typu IV a mechanické aktivace virulence u Pseudomonas aeruginosa byl zdrojem frustrace jeden technický paradox: pili, ale také fimbrie, bičíky a injekční systémy trvale vystupují mimo jednotlivé buňky, tak proč je nemůžeme přímo vizualizovat?“
Aby to vědci překonali, prozkoumali novou mikroskopickou metodu, jejímž průkopníkem byl jejich spolupracovník Philipp Kukura z Oxfordské univerzity. Pomocí techniky zvané interferometrická rozptylová mikroskopie (iSCAT) se jim podařilo vidět tato nanometrová vlákna v živých buňkách, a to bez jakýchkoli chemických značek, vysokou rychlostí a ve třech rozměrech.
„iSCAT představuje významný technologický pokrok v mikrobiologii,“ říká Persat. „Nedávno jsme popsali vizualizační techniku a získali jsme rozsáhlou pozitivní zpětnou vazbu mezi vědci z různých oborů jednoduše proto, že jsme konečně mohli dynamicky pozorovat pili v živých bakteriích přímo z kultury.“
Aby vědci pochopili koordinaci pohybů pili typu IV, zaměřili se na přesné načasování posloupnosti přichycení k povrchu, stažení a posunutí buněčného těla pomocí iSCAT. Tento přístup odhalil tři klíčové události, které vedou k úspěšnému a energeticky efektivnímu pohybu po povrchu.
Nejprve kontakt špičky pilusu s povrchem aktivuje molekulární motor, který iniciuje retrakci. Za druhé, toto vtahování posiluje přichycení pilusu k povrchu, čímž se zvyšuje posun bakterie. A konečně druhý, silnější molekulární motor vynucuje posun bakterie při velkém tření.
Tato sekvence ukazuje, že pilusy fungují jako senzory, a odhaluje nový mechanismus, kterým bakterie interagují s povrchy. Odhaluje také, že bakterie používají senzorické mechanismy ke koordinaci dynamického pohybu svých pohybových mechanismů, což je nápadná analogie ke způsobu, jakým vyšší organismy, včetně člověka, pohybují končetinami, aby vytvořily posun.
„Lidská centrální nervová soustava zpracovává mechanosenzorické signály, aby postupně zapojila motorické komponenty, a tím vyvolala svalovou kontrakci a výsledkem je chůze,“ vysvětluje Talà. „Naše práce ukazuje, že stejným způsobem využívají bakterie smysl pro dotek k postupnému zapojování molekulárních motorů, čímž vytvářejí cykly vysouvání a zasouvání pil, které vedou k chůzi.“