Hranice pro Mladé lidi

jsou všechny bakterie Špatné?

vždy Máme spoustu a spoustu bakterií kolem nás, jak žijí téměř všude—ve vzduchu, v půdě, v různých částech našeho těla, a dokonce i v některých potravinách, které jíme, jako je jogurt, sýr a okurky. Ale nebojte se! Většina bakterií je pro nás dobrá. Někteří žijí v našich zažívacích systémech a pomáhají nám trávit naše jídlo a někteří žijí v životním prostředí a produkují kyslík, abychom mohli dýchat a žít na Zemi. Ale bohužel, několik z těchto nádherných tvorů nás někdy může zhoršit. To je, když musíme navštívit lékaře, který může předepsat léky na kontrolu infekce. Ale co přesně jsou tyto léky a jak bojují s bakteriemi? Tyto léky se nazývají „antibiotika“, což znamená “ proti životu bakterií.“Jak nám říká jejich název, antibiotika buď zabíjejí bakterie, nebo jim brání v růstu zastavením konkrétního procesu v práci uvnitř bakteriální buňky. Když bakterie přestanou růst, naše těla pak mohou infekci vyčistit a cítíme se lépe.

vývoj antibiotik je jedním z největších úspěchů moderní medicíny. Antibiotika zachránit miliony životů, protože lékaři začali používat v roce 1940. Antibiotika pomohly, aby lidé byli mnohem lepší život tím, že úspěšně léčit téměř všechny typy bakteriálních infekcí. Ale stejně jako my, i bakterie jsou chytré! Od 40. let vyvíjely bakterie taktiku k překonání účinků antibiotik a dnes vidíme stále více bakterií, které již nemohou být antibiotiky vůbec zabity. Ty se staly známými jako bakterie odolné vůči antibiotikům nebo „superbugy“ a představují vážnou hrozbu pro zdraví lidí po celém světě. Pokud nemáme antibiotika k zastavení bakteriálních infekcí, mohlo by se stát život ohrožujícím i něco tak jednoduchého jako malý infikovaný řez na prstu. Proto jsou k léčbě infekcí způsobených bakteriemi rezistentními na antibiotika zapotřebí nové zbraně ve formě nových antibiotik. Abychom našli nová antibiotika, musíme nejprve plně porozumět vnitřnímu fungování bakteriální buňky. Naše laboratoř se zaměřuje na pochopení něčeho velmi důležitého o tom, jak bakterie fungují-způsob, jakým se bakterie stávají dvěma buňkami z jedné buňky, nazývaný také proces dělení bakteriálních buněk.

bakteriální způsob, jak se stát dvěma z jednoho

stejně jako všechny druhy organismů musí všechny bakterie růst a množit se, aby přežily jako druh. Když je k dispozici dostatek potravy, bakterie se rychle množí zdvojnásobením velikosti a poté rozdělením na polovinu, aby vytvořily dvě nové buňky . Je proces „dělení“ je znázorněno na Obrázku 1A. Bakterie používají druh stroje uvnitř buňky k tomu, který je známý jako prsten Z (zelený kruh v Obrázku 1). Z kroužek se tvoří přesně uprostřed buňky a obepíná se kolem buňky. Když se buňka rozdělí, vytvoří se dvě nové buňky stejné velikosti. Během dělení musí být vše uvnitř buňky zkopírováno a rovnoměrně sdíleno mezi dvěma novými buňkami. To zahrnuje bakteriální DNA (znázorněno jako hnědé kuličky uvnitř buňky na obrázku 1), což je jako kód pro bakterie, který nese všechny informace potřebné k přežití buňky. Pokud nové buňky neobdrží úplnou kopii těchto informací, nemohou správně růst a nepřežijí.

tvorba Z kruhu přesně ve středu buňky, je nezbytné vyrábět dvě zdravé buňky; jinak jedna buňka neobsahují DNA a zemře (Obrázek 1B). To má za následek přežití pouze poloviny nových bakteriálních buněk, což není tak dobré pro růst bakterií. Zde přichází velmi zajímavá otázka-jak bakteriální buňka zajistí, že z kroužek se vytvoří pouze uprostřed buňky a nikde jinde v buňce? Místo, kde se z kroužek tvoří, je tak důležité, že je pod kontrolou mnoha systémů, které spolupracují, aby zastavily z kroužek z tvorby kdekoli jinde než uprostřed buňky.

kromě toho, ujistěte se, že prsten Z formy na správném místě, buňka také potřebuje vycítit správný čas se tvoří Z prstenu a rozdělit. To velmi závisí na prostředí, ve kterém se bakterie nacházejí. Například, pokud je extrémně chladno nebo pokud není v okolí žádné jídlo, bakterie rostou velmi pomalu a nemusí se velmi často dělit. Vhodný čas pro rozdělení bakterií je, když je k dispozici spousta jejich oblíbených jídel, jako jsou jednoduché cukry. V této situaci, bakteriální buňky rostou rychleji a začne dělení velmi rychle, aby se ujistil, že tolik nových bakterií, jak je to možné, jsou vyrobeny dříve, než dojde jídlo. Otázkou však je-jak bakterie cítí přítomnost potravy ve svém prostředí a využívají tyto informace k urychlení růstu a dělení buněk? To je otázka, na kterou jsme chtěli odpovědět v naší studii.

Naše Studie—Bakteriální Jídlo Není jen Energie, To Dělá Více……

Jídlo je rozbité dolů uvnitř buňky, aby se energetické a stavební bloky pro buněčné růst, a proces, který to dělá, je známý jako metabolismus. Jinými slovy, otázka, kterou jsme položili v naší studii, byla: jak je metabolismus spojen s buněčným dělením v bakteriích? Nejprve vám musíme trochu říct o tom, jak funguje metabolismus. Enzymy jsou malé složky uvnitř buněk, které provádějí všechny chemické reakce potřebné pro odbourávání potravin během metabolismu. Glukóza, což je jednoduchý cukr, který pochází z potravin, které bakterie jíst, se člení enzymy v počtu kroků, které jsou dohromady známy jako proces glykolýzy (oranžový rámeček na Obrázku 2A). Poslední krok glykolýzy produkuje sloučeninu zvanou pyruvát, která se používá k výrobě energie a stavebních bloků pro růst buňky.

jak jsme vám řekli dříve, zdravá bakteriální buňka tvoří Z kroužek uprostřed buňky (obrázek 2B). V naší studii jsme zjistili, že, pokud je enzym, který provádí poslední krok glykolýzy chybí (což znamená, bakterie jsou již jejich zpracování potravin správně), bakteriální buňka začíná tvořit Z kruhu na jiných místech, než uprostřed. Jak vidíte na obrázku 2C, buňky postrádající enzym zapojený do posledního kroku glykolýzy tvoří z kroužky směrem k jednomu konci buňky. To je špatná zpráva a tyto buňky se nesprávně dělí a produkují jednu velkou buňku a další velmi malou buňku, která neobsahuje žádnou DNA, a tak již nemůže přežít. Tento výsledek nám ukázal, že tento poslední krok glykolýzy je velmi důležitý pro správné umístění z kruhu uprostřed buňky.

pak Jsme přemýšleli, jestli tato změna v pozici Z kruhu se stane, protože enzym podílející se na poslední krok glykolýzy chybí, nebo proto, že sloučenina produkován tohoto enzymu pyruvát, chybí? (viz obrázek 2A). Tuto možnost jsme testovali odstraněním enzymu, takže bakteriální buňky již nemohly samy produkovat pyruvát, a poté jsme přidali pyruvát jako součást zdroje potravy bakterií. Normálně buňky postrádající enzym, který vytváří pyruvát, tvoří z kroužky směrem ke koncům buněk, ale když byl pyruvát znovu přidán, bakterie začaly tvořit z kroužky uprostřed buňky, jako zdravé bakteriální buňky. Podívejte se na různé pozice Z kroužků v buňkách chybí enzym podílející se na poslední krok glykolýzy a když pyruvát je přidána zpět do těchto buněk, v Číslech 2C,D. Tento výsledek potvrdil, že to není enzym sám o sobě, že je důležité, aby pozice Z kruhu, ale jeho produkt—pyruvát. Bylo to poprvé, kdy byla prokázána souvislost mezi chemickou látkou podílející se na glykolýze a buněčným dělením, a tak se pyruvát stal ohniskem našich dalších experimentů.

jak dostupnost potravin rozhoduje o poloze Z kruhu?

S konstatováním, že pyruvát je důležité pro Z kroužku tvoření ve středu buňky, jsme se stali ještě více zvědavý pochopit, jak procesy metabolismu a dělení buněk komunikovat. Víme, že když se pyruvát vyrábí, pak se používá jiným enzymem k produkci energie v buňce. Přemýšleli jsme, jestli je tento druhý enzym umístěn na určitém místě uvnitř bakteriální buňky, což pomáhá Z kruhu tvořit uprostřed.

tím, že DNA i enzym „září“, můžeme pomocí mikroskopu zjistit, kde se nacházejí uvnitř buňky. U zdravých bakterií jsme zjistili, že enzym a DNA byly umístěny na stejném místě, kde je lze vidět jako kulaté kuličky uvnitř buňky (obrázek 3). V buňkách, které nemohly produkovat pyruvát, jsme zjistili, že enzym již nebyl přítomen na stejném místě jako DNA, místo toho se enzym pohyboval směrem ke dvěma koncům buňky. Toto je stejné místo, kde se v buňkách, které se nerozdělují správně, tvoří kroužky Z. Už víme, že přidání pyruvátu do těchto buněk posune z kroužek zpět do středu buňky, takže jsme přemýšleli, jestli pyruvát také změní umístění enzymu zpět na místo, kde byla nalezena DNA. To je přesně to, co se stalo! Tyto výsledky ukázaly, že pyruvát je důležitý pro správné umístění z kruhu uprostřed buňky a pyruvát to nějak dělá tím, že pracuje s enzymem, který používá pyruvát k výrobě energie. To dává smysl, protože pyruvát a enzym spolupracují stejnou cestou.

Naše výsledky ukázaly, že metabolismus a bakteriální buněčné dělení komunikovat s navzájem prostřednictvím pyruvátu (a enzymu, který používá pyruvát k výrobě energie), aby byla zajištěna prsten Z formy na správném místě. U dobře krmených bakterií (které mohou správně vytvářet pyruvát) je enzym umístěn na stejném místě jako DNA v buňce. Na tomto místě se zdá, že enzym pomáhá z kruhu tvořit uprostřed buňky, takže se buňka správně dělí. Pokud však buňky nevytvářejí pyruvát, enzym končí na nesprávném místě a stejně tak Z kroužek (směrem ke koncům buňky). Takže, když jídlo není správně zpracováno a pyruvát není produkován, bakterie začnou dělat chyby v procesu dělení buněk. To je podobné tomu, co je vidět u lidí s nesnášenlivostí laktózy. Když pijí mléko, nemohou správně zpracovat laktózu, a proto onemocní. Takže schopnost správně zpracovávat jídlo a být zdravá je opravdu důležitá pro všechny živé věci. Když jídlo není zpracován tak, jak by mělo být v bakteriích, Z prsten je tvořen v místech, kde to by nemělo být, což činí buňky se dělí špatně, snížení počtu bakterií šanci bakteriální populace přežít. Tuto chybu v dělení lze napravit poskytnutím správného jídla bakteriím (přidáním pyruvátu zpět), což ukazuje, že způsob, jakým bakterie používají potravu ve svém prostředí, je rozhodující pro jejich schopnost růstu a dělení.

proč nám záleží na spojení metabolismu a dělení?

otázka, kterou si pokládáme v této studii byla: jak bakterie smysl dostupnost potravy v prostředí a jak se přítomnost potravy ovlivňují proces buněčného dělení? Když je jídlo snadné najít, bakterie rostou a dělí se velmi rychle, ale dělí se mnohem pomaleji, když je jídlo vzácné. Jak bakterie vědí, že se dělí různými rychlostmi, když jsou v okolí různé úrovně jídla, není známo. Pochopení více o tom, jak bakterie mohou smysl dostupné zdroje potravin, a to zejména v průběhu infekce, a jak snímací potravin kontroluje růst bakterií, můžeme zastavit bakterie z získání správného typu potravin nebo být schopen správně zpracovat své jídlo, které může zastavit dělení a zabránit jim způsobuje infekce. Je to proto, že bakterie nemohou správně růst, pokud nedostanou správné jídlo nebo pokud potravu nezpracovávají správně. Je to podobné jako u lidí-jíme dobré jídlo, abychom zůstali zdraví a nejíst správné jídlo nás může zhoršit. Proto fráze „jsme to, co jíme“ platí stejně pro bakterie a lidi. Z této studie jsme našli vzrušující nové spojení mezi bakteriálním metabolismem a buněčným dělením. Ale tyto procesy jsou velmi složité a my jsme jen poškrábali povrch, abychom se pokusili pochopit tento odkaz—takže dalším krokem bude vyřešení této záhady.

na začátku tohoto článku jsme hovořili o problematice rezistence vůči antibiotikům. Co má souvislost mezi metabolismem a buněčným dělením společného s rezistencí na antibiotika? Abychom se vypořádali s otázkou rezistence vůči antibiotikům, musíme vyvinout nová antibiotika, která se zaměřují na neprozkoumané aspekty růstu a přežití bakterií. Mnoho z aktuálně dostupných antibiotik se zaměřuje na procesy, které bakterie používají k výrobě DNA, proteinů nebo vnější vrstvy bakteriální buňky. Tato antibiotika byla velmi úspěšná, ale bakterie vyvinuly taktiku, aby pokračovaly v těchto procesech, a to i za přítomnosti antibiotik. V této práci jsme identifikovali nové spojení mezi metabolismem a buněčným dělením v bakteriích, které by mohlo sloužit jako cíl pro nová antibiotika. Pokud bychom mohli zabránit bakteriím v tvorbě pyruvátu nebo změnit místo, kde se enzym, který používá pyruvát, nachází v buňce, dojde k narušení metabolismu i buněčného dělení a buňky zemřou. Pokud antibiotikum může být, že cíle dva různé procesy, které jsou důležité pro bakteriální přežití (metabolismus a buněčné dělení), bude obtížnější pro bakteriální buňky se stávají rezistentní na antibiotika, protože to bude muset vyvinout taktiku, jak překonat účinek antibiotik na obou těchto procesů. Dosažení rezistence na antibiotika mnohem těžší pro bakteriální buňku, doufejme, poskytne nové řešení v boji proti rezistenci na antibiotika.

Glosář

dělení bakteriálních buněk: proces rozdělení jedné bakteriální buňky na dvě buňky.

DNA: kód v buňce, který nese všechny informace potřebné k přežití buňky.

metabolismus: všechny chemické procesy, které se podílejí na přeměně potravin na energii, se společně nazývají metabolismus.

enzym: biologická složka, která napomáhá rychlé reakci.

glukóza: jednoduchý cukr.

glykolýza: cesta, která štěpí glukózu na dvě molekuly pyruvátu.

pyruvát: chemická sloučenina vzniklá po rozpadu (metabolizaci) glukózy.

Střet Zájmů Prohlášení

autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn v nepřítomnosti jakékoli obchodní nebo finanční vztahy, které by mohlo být chápáno jako potenciální konflikt zájmů.

poděkování

RM je podporováno stipendiem australského vládního výzkumného vzdělávacího programu. AB a EH jsou podporovány australskou výzkumnou Radou Discovery project grant DP150102062.

Původní Zdroj Článku

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Karel, I. G., a Harry, E. J. 2014. Koordinace dělení bakteriálních buněk s dostupností živin: role glykolýzy. MBio 5 (3): 1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14