1
Do teraz, to jest. Lorenzo Talà, doktorant w laboratorium Alexandre Persat w EPFL’s Institutes of Bioengineering and Global Health opracował metodę mikroskopii, która może bezpośrednio obserwować struktury, których wiele bakterii używa do pełzania.
„Powierzchnie bakterii są ozdobione filamentami białkowymi zaangażowanymi w ruchliwość, adhezję, sygnalizację i patogenność, które ostatecznie rządzą tym, jak bakterie oddziałują ze swoim środowiskiem” mówi Talà. „Jednak są one tak małe, że obserwowanie ich w żywych komórkach jest niezwykle skomplikowane. Pozostaje nam więc niewielka wiedza na temat ich dynamicznych działań.”
Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku struktur znanych jako „pili typu IV”: szerokich na nanometr włókien, które wysuwają się i chowają z powierzchni wielu bakterii, pomagając im chodzić w sposób znany jako „ruch drgający”. Termin ten może nie brzmieć bardzo poważnie, ale mechanicznie aktywuje zjadliwość w niektórych patogenach — co oznacza, że jest pierwszorzędnym celem do walki z nimi.
Naukowcy badali bakterię Pseudomonas aeruginosa, oportunistyczny patogen, który jest powszechnie spotykany w glebie. Jest to jedna z najbardziej niepokojących medycznie bakterii: główna przyczyna zakażeń szpitalnych i poważnych infekcji u chorych na mukowiscydozę, oparzenia urazowe i pacjentów z obniżoną odpornością, zajmuje obecnie pierwsze miejsce na liście obserwacyjnej opornych na antybiotyki Światowej Organizacji Zdrowia.
Ale czy pojedyncze bakterie orkiestrują ruch pili typu IV, aby napędzać swoją ruchliwość? „W naszych badaniach nad pili typu IV i mechaniczną aktywacją wirulencji u Pseudomonas aeruginosa, jeden techniczny paradoks był źródłem frustracji: pili, ale także fimbrie, flagelle i systemy wtryskowe stale rozciągają się na zewnątrz pojedynczych komórek, więc dlaczego nie możemy ich bezpośrednio wizualizować?”
Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy zbadali nową metodę mikroskopii, której pionierem był ich współpracownik Philipp Kukura z Oxford University. Używając techniki zwanej interferometryczną mikroskopią rozpraszającą (iSCAT), byli w stanie zobaczyć te włókna o szerokości nanometrów w żywych komórkach, bez żadnych etykiet chemicznych, z dużą prędkością i w trzech wymiarach.
„iSCAT reprezentuje duży postęp technologiczny w mikrobiologii”, mówi Persat. „Niedawno opisaliśmy tę technikę wizualizacji i otrzymaliśmy wiele pozytywnych opinii od naukowców z różnych dziedzin po prostu dlatego, że wreszcie mogliśmy dynamicznie obserwować pili u żywych bakterii prosto z hodowli.”
Aby zrozumieć koordynację ruchów pili typu IV, naukowcy skoncentrowali się na precyzyjnym określeniu czasu następowania po sobie przylegania do powierzchni, retrakcji i przemieszczania ciała komórki za pomocą iSCAT. Podejście to ujawniło trzy kluczowe zdarzenia, które prowadzą do udanego i energetycznie wydajnego ruchu po powierzchni.
Po pierwsze, kontakt końcówki pilusa z powierzchnią aktywuje silnik molekularny, który inicjuje retrakcję. Po drugie, retrakcja ta zwiększa przyczepność pilusa do powierzchni, zwiększając przemieszczanie się bakterii. Wreszcie, drugi, silniejszy silnik molekularny wymusza przemieszczenie bakterii przy dużym tarciu.
Sekwencja ta pokazuje, że pili działają jak czujniki i ujawnia nowy mechanizm, za pomocą którego bakterie oddziałują z powierzchniami. Ujawnia również, że bakterie wykorzystują mechanizmy sensoryczne do koordynowania dynamicznego ruchu swoich urządzeń ruchowych, w uderzającej analogii do sposobu, w jaki organizmy wyższe, w tym ludzie, poruszają kończynami w celu wygenerowania przemieszczenia.
„Ludzki centralny układ nerwowy przetwarza sygnały mechanosensoryczne, aby sekwencyjnie zaangażować komponenty motoryczne, wyzwalając w ten sposób skurcz mięśni i powodując chód”, wyjaśnia Talà. „Nasza praca pokazuje, że w ten sam sposób bakterie wykorzystują zmysł dotyku do sekwencyjnego angażowania silników molekularnych, generując cykle wysuwania i wsuwania pili, które skutkują wzorcem chodu.”
.