1
Det vil sige, indtil nu. Lorenzo Talà, ph.d.-studerende i Alexandre Persats laboratorium ved EPFL’s institut for bioteknologi og global sundhed, har udviklet en mikroskopimetode, der direkte kan observere de strukturer, som mange bakterier bruger til at kravle.
“Bakterieoverflader er dekoreret med proteinfilamenter, der er involveret i motilitet, adhæsion, signalering og patogenicitet, og som i sidste ende bestemmer, hvordan bakterier interagerer med deres omgivelser”, siger Talà. “De er imidlertid så små, at det er ekstremt komplekst at observere dem i levende celler. Så vi har kun lidt viden om deres dynamiske aktiviteter.”
Det gælder især for strukturer, der er kendt som “type IV pili”: nanometerbrede filamenter, der strækker sig ud og trækker sig tilbage fra overfladen af mange bakterier, hvilket hjælper dem med at gå på en måde, der er kendt som “rykkende motilitet”. Udtrykket lyder måske ikke særlig alvorligt, men det aktiverer mekanisk virulens i visse patogener — hvilket betyder, at det er et førsteklasses mål for bekæmpelse af dem.
Forskerne undersøgte bakterien Pseudomonas aeruginosa, en opportunistisk patogen, der almindeligvis findes i jord. Den er en af de mest medicinske bekymrende bakterier: Den er en af de førende årsager til hospitalserhvervede infektioner og til alvorlige infektioner hos cystisk fibrose, traumatiske forbrændinger og immunsvækkede patienter og er nu rangeret som nr. 1 på Verdenssundhedsorganisationens antibiotikaresistente overvågningsliste.
Men orkestrerer enkelte bakterier type IV pili-bevægelse for at drive deres motilitet? “I vores undersøgelser af type IV pili og mekano-aktivering af virulens i Pseudomonas aeruginosa har et teknisk paradoks været en kilde til frustration: pili, men også fimbriae, flageller og injektionssystemer strækker sig permanent uden for de enkelte celler, så hvorfor kan vi ikke visualisere dem direkte?”
For at overvinde dette udforskede forskerne en ny mikroskopimetode, som deres samarbejdspartner Philipp Kukura ved Oxford University har været pioner på. Ved hjælp af en teknik kaldet interferometrisk spredningsmikroskopi (iSCAT) kunne de se disse nanometerbrede filamenter i levende celler uden kemiske mærker, ved høj hastighed og i tre dimensioner.
“iSCAT repræsenterer et stort teknologisk fremskridt inden for mikrobiologi,” siger Persat. “Vi beskrev for nylig visualiseringsteknikken og fik omfattende positiv feedback blandt forskere på tværs af en række forskellige discipliner, simpelthen fordi vi endelig kunne observere pili dynamisk i levende bakterier direkte ud af kulturen.”
For at forstå koordineringen af type IV pili-bevægelser fokuserede forskerne på præcis timing af successionen af overfladetilhæftning, tilbagetrækning og cellekropsforskydninger ved hjælp af iSCAT. Metoden afslørede tre nøglebegivenheder, der fører til en vellykket og energimæssigt effektiv bevægelse over overflader.
Først aktiveres en molekylær motor, som indleder tilbagetrækning, når pilespidsen kommer i kontakt med overfladen. For det andet forbedrer denne tilbagetrækning pilusens fastgørelse til overfladen, hvilket øger bakteriens forskydning. Endelig forstærker en anden, stærkere molekylær motor bakteriens forskydning under høj friktion.
Denne sekvens viser, at pili fungerer som sensorer, og afslører en ny mekanisme, hvormed bakterier interagerer med overflader. Den afslører også, at bakterier bruger sensoriske mekanismer til at koordinere den dynamiske bevægelse af deres motilitetsmaskinerier i en slående analogi med den måde, højere organismer, herunder mennesker, bevæger deres lemmer for at skabe forskydning.
“Det menneskelige centralnervesystem behandler mekanosensoriske signaler for sekventielt at aktivere motorkomponenter, hvilket udløser muskelsammentrækning og resulterer i gang”, forklarer Talà. “Vores arbejde viser, at bakterier på samme måde bruger en berøringsfornemmelse til sekventielt at aktivere molekylære motorer og genererer cyklusser af pili-ud- og indtrækning, der resulterer i et gangmønster.”