1
Vaan tähän asti. Lorenzo Talà, tohtorikoulutettava Alexandre Persatin laboratoriossa EPFL:n biotekniikan ja globaalin terveyden instituutissa on kehittänyt mikroskooppimenetelmän, jolla voidaan suoraan tarkkailla rakenteita, joita monet bakteerit käyttävät ryömiessään.
”Bakteerien pintoja koristavat proteiinifilamentit, jotka osallistuvat motivaatioon, adheesioihin, signaalinantoon ja patogeenisyyteen ja jotka viime kädessä säätelevät sitä, millä tavoin bakteerit ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa”
, Talà sanoo. ”Ne ovat kuitenkin niin pieniä, että niiden havainnointi elävissä soluissa on äärimmäisen monimutkaista. Niinpä meillä on vain vähän tietoa niiden dynaamisesta toiminnasta.”
Tämä pätee erityisesti rakenteisiin, jotka tunnetaan nimellä ”tyypin IV pili”: nanometrin levyiset filamentit, jotka pidentyvät ja vetäytyvät monien bakteerien pinnalta ja auttavat niitä kävelemään tavalla, joka tunnetaan nimellä ”nykivää liikkuvuutta”. Termi ei ehkä kuulosta kovin vakavalta, mutta se aktivoi mekaanisesti virulenssin tietyissä taudinaiheuttajissa – mikä tarkoittaa, että se on ensisijainen torjuntakohde.
Tutkijat tutkivat Pseudomonas aeruginosa -bakteeria, opportunistista taudinaiheuttajaa, jota esiintyy yleisesti maaperässä. Se on yksi lääketieteellisesti huolestuttavimmista bakteereista: se on johtava sairaalainfektioiden ja kystisen fibroosin, traumaattisten palovammojen ja immuunipuutteisten potilaiden vakavien infektioiden aiheuttaja, ja se on nyt Maailman terveysjärjestön antibioottiresistenttien tarkkailulistalla sijalla 1.
Mutta orkestroivatko yksittäiset bakteerit IV-tyypin pili-liikettä saadakseen voimaa liikkuvuuteensa? ”Tutkimuksissamme tyypin IV pileistä ja virulenssin mekaanisesta aktivoinnista Pseudomonas aeruginosa -bakteerissa yksi tekninen paradoksi on ollut turhautumisen lähde: pilit, mutta myös fimbriat, flagellat ja injektiosysteemit ulottuvat pysyvästi yksittäisten solujen ulkopuolelle, joten miksi emme voi suoraan visualisoida niitä?”
Voidakseen ratkaista tämän ongelman tutkijat tutkivat kehittymässä olevaa mikroskopointimenetelmää, jonka heidän yhteistyökumppaninsa Philipp Kukura Oxfordin yliopistossa on kehittänyt ensimmäisenä. Käyttämällä tekniikkaa nimeltä interferometrinen sirontamikroskopia (iSCAT) he pystyivät näkemään nämä nanometrin levyiset säikeet elävissä soluissa ilman kemiallisia merkintöjä, suurella nopeudella ja kolmiulotteisesti.
”iSCAT edustaa merkittävää teknologista edistysaskelta mikrobiologiassa”, Persat sanoo. ”Kuvasimme hiljattain visualisointitekniikan ja saimme laajaa positiivista palautetta eri tieteenalojen tutkijoilta yksinkertaisesti siksi, että pystyimme vihdoinkin havainnoimaan dynaamisesti pilejä elävissä bakteereissa suoraan viljelmästä.”
Ymmärtääkseen tyypin IV pileiden liikkeiden koordinointia tutkijat keskittyivät iSCAT:n avulla ajoittamaan täsmällisesti pintakiinnittymisen, vetäytymisen ja solurungon siirtymisen peräkkäisyyttä. Lähestymistapa paljasti kolme keskeistä tapahtumaa, jotka johtavat onnistuneeseen ja energeettisesti tehokkaaseen liikkumiseen pintojen yli.
Ensiksi piluksen kärjen kosketus pintaan aktivoi molekyylimoottorin, joka käynnistää vetäytymisen. Toiseksi tämä vetäytyminen tehostaa piluksen kiinnittymistä pintaan, mikä lisää bakteerin siirtymistä. Lopuksi toinen, voimakkaampi molekyylimoottori pakottaa bakteerin siirtymään kovassa kitkassa.
Tämä sekvenssi osoittaa, että pilukset toimivat sensoreina, ja paljastaa uuden mekanismin, jolla bakteerit ovat vuorovaikutuksessa pintojen kanssa. Se paljastaa myös, että bakteerit käyttävät aistimismekanismejaan koordinoidakseen liikkuvuusmekanismiensa dynaamista liikettä, mikä on silmiinpistävä analogia korkeampien eliöiden, kuten ihmisten, tapaan liikuttaa raajojaan siirtymän aikaansaamiseksi.
”Ihmisen keskushermosto käsittelee mekanosensorisia signaaleja ottaakseen moottorikomponentit peräkkäin käyttöön, mikä laukaisee lihasten supistumisen ja johtaa kävelyyn”, Talà kertoo. ”Työmme osoittaa, että samalla tavalla bakteerit käyttävät kosketusaistia käynnistääkseen peräkkäin molekyylimoottoreita, jolloin syntyy pilarien ulos- ja sisäänvedon syklejä, jotka johtavat kävelykuvioon.”