1
Intills nu, alltså. Lorenzo Talà, doktorand i Alexandre Persats laboratorium vid EPFL:s institut för bioteknik och global hälsa, har utvecklat en mikroskopimetod som gör det möjligt att direkt observera de strukturer som många bakterier använder för att krypa.
”Bakterieytor är dekorerade med proteinfilament som är involverade i motilitet, vidhäftning, signalering och patogenitet, vilket i slutändan bestämmer hur bakterier interagerar med sin omgivning”, säger Talà. ”De är dock så små att det är extremt komplicerat att observera dem i levande celler. Så vi har inte mycket kunskap om deras dynamiska aktiviteter.”
Detta gäller särskilt strukturer som är kända som ”typ IV pili”: nanometerbreda filament som sträcker sig ut och dras tillbaka från ytan på många bakterier, vilket hjälper dem att gå på ett sätt som kallas ”ryckande motilitet”. Termen kanske inte låter så allvarlig, men den aktiverar mekaniskt virulensen hos vissa patogener – vilket innebär att den är ett utmärkt mål för att bekämpa dem.
Vetenskapsmännen studerade bakterien Pseudomonas aeruginosa, en opportunistisk patogen som ofta finns i jorden. Den är en av de mest medicinskt oroande bakterierna: en ledande orsak till sjukhusförvärvade infektioner och allvarliga infektioner hos cystisk fibros, traumatiska brännskador och patienter med nedsatt immunförsvar, och den är nu rankad som nummer 1 på Världshälsoorganisationens lista över antibiotikaresistenta bakterier.
Men kan enstaka bakterier orkestrera typ IV pili-rörelser för att driva sin rörelseförmåga? ”I våra studier av typ IV pili och mekanisk aktivering av virulens hos Pseudomonas aeruginosa har en teknisk paradox varit en källa till frustration: pili, men även fimbriae, flageller och injektionssystem sträcker sig permanent utanför enskilda celler, så varför kan vi inte visualisera dem direkt?”
För att övervinna detta utforskade forskarna en ny mikroskopimetod som deras samarbetspartner Philipp Kukura vid Oxfords universitet har varit pionjär på. Med hjälp av en teknik som kallas interferometrisk spridningsmikroskopi (iSCAT) kunde de se dessa nanometerbreda filament i levande celler, utan kemiska etiketter, i hög hastighet och i tre dimensioner.
”iSCAT representerar ett stort tekniskt framsteg inom mikrobiologin”, säger Persat. ”Vi beskrev nyligen visualiseringstekniken och fick omfattande positiv feedback från forskare inom en rad olika discipliner, helt enkelt för att vi äntligen kunde observera pili dynamiskt i levande bakterier direkt ur kulturen.”
För att förstå koordineringen av pili-rörelser av typ IV fokuserade forskarna på att exakt tidsbestämma sekvensen av ytanslutning, indragning och cellkroppens förflyttningar med hjälp av iSCAT. Metoden avslöjade tre nyckelhändelser som leder till framgångsrik och energimässigt effektiv rörelse över ytor.
För det första aktiverar pilspetsens kontakt med ytan en molekylär motor som inleder indragning. För det andra förbättrar denna indragning pilusens fastsättning på ytan, vilket ökar bakteriens förflyttning. Slutligen förstärker en andra, starkare molekylär motor bakteriens förflyttning vid hög friktion.
Denna sekvens visar att pili fungerar som sensorer och avslöjar en ny mekanism genom vilken bakterier interagerar med ytor. Den avslöjar också att bakterier använder sensoriska mekanismer för att samordna den dynamiska rörelsen hos sina motilitetsmaskiner, i en slående analogi med hur högre organismer, inklusive människor, rör sina lemmar för att generera förskjutning.
”Människans centrala nervsystem bearbetar mekanosensoriska signaler för att sekventiellt engagera motorkomponenter, och på så sätt utlösa muskelsammandragning och resultera i gång”, förklarar Talà. ”Vårt arbete visar att bakterier på samma sätt använder känsel för beröring för att i tur och ordning aktivera molekylära motorer, vilket genererar cykler av piliutvidgning och -indragning som resulterar i ett gångmönster.”