Frontiers for Young Minds

Ovatko kaikki bakteerit pahoja?

meillä on aina paljon ja paljon bakteereja ympärillämme, koska niitä elää lähes kaikkialla—ilmassa, maaperässä, kehon eri osissa ja jopa joissakin ruoissa, joita syömme, kuten jogurtissa, juustossa ja pikkelssissä. Mutta älä huoli! Useimmat bakteerit ovat meille hyväksi. Jotkut elävät ruoansulatuselimistössämme ja auttavat meitä sulattamaan ruokamme, ja jotkut elävät ympäristössä ja tuottavat happea, niin että voimme hengittää ja elää maan päällä. Mutta valitettavasti muutama näistä ihmeellisistä olennoista voi joskus tehdä meidät sairaiksi. Silloin on mentävä lääkäriin, joka voi määrätä lääkkeitä infektion hillitsemiseksi. Mutta mitä nämä lääkkeet ovat ja miten ne taistelevat bakteereja vastaan? Näitä lääkkeitä kutsutaan ”antibiooteiksi”, mikä tarkoittaa ” bakteerien elämää vastaan.”Kuten heidän nimensä kertoo, antibiootit joko tappavat bakteereja tai estävät niitä kasvamasta estämällä tietyn prosessin toimimasta bakteerisolun sisällä. Kun bakteerit lakkaavat kasvamasta, kehomme voi sitten puhdistaa infektion ja voimme paremmin.

antibioottien kehittäminen on modernin lääketieteen suurimpia menestyksiä. Antibiootit ovat pelastaneet miljoonia ihmishenkiä sen jälkeen, kun lääkärit alkoivat käyttää niitä 1940-luvulla. antibiootit ovat auttaneet ihmisiä paljon parempaan elämään hoitamalla onnistuneesti lähes kaikenlaisia bakteeri-infektioita. Mutta kuten me, bakteeritkin ovat fiksuja! 1940-luvulta lähtien bakteerit ovat kehittäneet taktiikoita antibioottien vaikutusten nujertamiseksi, ja nykyään näemme yhä enemmän bakteereja, joita antibiootit eivät enää tapa lainkaan. Näitä on alettu kutsua antibiooteille vastustuskykyisiksi bakteereiksi eli ”superbakteereiksi”, ja ne ovat vakava uhka ihmisten terveydelle kaikkialla maailmassa. Jos meillä ei ole antibiootteja bakteeri-infektioiden pysäyttämiseksi, niinkin yksinkertainen asia kuin pieni tulehtunut haava sormessa voi muuttua hengenvaaralliseksi. Siksi antibiooteille vastustuskykyisten bakteerien aiheuttamien infektioiden hoitoon tarvitaan uusia aseita, uusia antibiootteja. Uusien antibioottien löytämiseksi meidän on ensin ymmärrettävä täysin bakteerisolun sisäinen toiminta. Laboratoriomme keskittyy ymmärtämään jotain hyvin tärkeää siitä, miten bakteerit toimivat—miten bakteereista tulee kaksi solua yhdestä solusta, jota kutsutaan myös bakteerien solunjakautumisprosessiksi.

bakteerien tapa tulla kahdeksi yhdestä

kaikkien eliölajien tavoin kaikkien bakteerien täytyy kasvaa ja lisääntyä selviytyäkseen lajina. Kun ravintoa on riittävästi saatavilla, bakteerit lisääntyvät nopeasti kaksinkertaistamalla kokonsa ja jakautumalla sitten kahtia, jolloin syntyy kaksi uutta solua . Tämä on prosessi ”jako” kuvassa 1A. bakteerit käyttävät eräänlainen kone solun sisällä tehdä tämän, joka tunnetaan Z rengas (vihreä rengas kuvassa 1). Z-rengas muodostuu täsmälleen solun keskelle ja kietoutuu solun ympärille. Kun solu jakautuu, syntyy kaksi uutta samankokoista solua. Jaon aikana kaikki solun sisällä on kopioitava ja jaettava tasan kahden uuden solun kesken. Tämä sisältää bakteerien DNA: n (näkyy ruskeina möykkyinä solun sisällä kuvassa 1), joka on kuin koodi bakteereille, jotka kuljettavat kaiken solun selviytymiseen tarvittavan tiedon. Jos uudet solut eivät saa täydellistä kopiota näistä tiedoista, ne eivät voi kasvaa kunnolla eivätkä säily.

Z-renkaan muodostuminen täsmälleen solun keskelle on välttämätöntä kahden terveen solun tuottamiseksi; muuten toinen solu ei sisällä DNA: ta ja kuolee (Kuva 1B). Tällöin vain puolet uusista bakteerisoluista jää henkiin, mikä ei ole kovin hyvä bakteerien kasvulle. Tässä tulee hyvin mielenkiintoinen kysymys-miten bakteerisolu varmistaa, että Z-rengas muodostuu vain keskelle solua eikä minnekään muualle soluun? Paikka, jossa Z-rengas muodostuu, on niin tärkeä, että se on monien järjestelmien hallinnassa, jotka toimivat yhdessä estääkseen Z-renkaan muodostumisen muualle kuin solun keskelle.

sen lisäksi, että solu varmistaa, että Z-rengas muodostuu oikeaan paikkaan, sen on myös aistittava oikea aika Z-renkaan muodostamiseen ja jakautumiseen. Tämä riippuu hyvin paljon siitä, millaisessa ympäristössä bakteerit ovat. Jos on esimerkiksi erittäin kylmä tai jos ympärillä ei ole ruokaa, bakteerit kasvavat hyvin hitaasti eikä niiden tarvitse jakautua kovin usein. Bakteereille on hyvä aika jakautua, kun tarjolla on runsaasti niiden lempiruokia, kuten yksinkertaisia sokereita. Tässä tilanteessa bakteerisolut kasvavat nopeammin ja alkavat jakautua hyvin nopeasti, jotta mahdollisimman monta uutta bakteeria saadaan tuotettua ennen kuin ruoka loppuu. Mutta kysymys kuuluu: miten bakteerit aistivat ruoan läsnäolon ympäristössään ja käyttävät tätä tietoa kasvun ja solujen jakautumisen nopeuttamiseen? Tähän kysymykseen halusimme vastata tutkistelussamme.

Tutkimuksemme-Bakteeriruoka ei ole pelkkää energiaa, se tekee enemmän……

ruoka hajotetaan solun sisällä, jotta solulle saadaan energiaa ja rakennusaineita kasvamaan, ja prosessia, joka tekee tämän, kutsutaan aineenvaihdunnaksi. Eli toisin sanoen kysymys, jonka esitimme tutkimuksessamme, oli: miten aineenvaihdunta liittyy bakteerien solunjakautumiseen? Ensin on kerrottava vähän siitä, miten aineenvaihdunta toimii. Entsyymit ovat solujen sisällä olevia pieniä komponentteja, jotka suorittavat kaikki kemialliset reaktiot, joita tarvitaan ruoan hajottamiseen aineenvaihdunnan aikana. Glukoosi, joka on yksinkertainen sokeri, joka tulee bakteerien syömästä ruoasta, hajoaa entsyymeillä useissa vaiheissa, jotka yhdessä tunnetaan glykolyysin prosessina (oranssi laatikko Kuvassa 2A). Glykolyysin viimeisessä vaiheessa muodostuu pyruvaatti-nimistä yhdistettä, josta saadaan energiaa ja rakennuspalikoita solun kasvuun.

kuten kerroimme aiemmin, terve bakteerisolu muodostaa Z-renkaan solun keskelle (Kuva 2b). Olemme tutkimuksessamme havainneet, että jos glykolyysin viimeisen vaiheen suorittava entsyymi puuttuu (eli bakteerit eivät enää käsittele ruokaansa oikein), bakteerisolu alkaa muodostaa Z-rengasta muualtakin kuin keskeltä. Kuten näet kuvasta 2C, solut, joilla ei ole glykolyysin viimeiseen vaiheeseen osallistuvaa entsyymiä, muodostavat Z-renkaita solun toiseen päähän. Tämä on huono uutinen, ja nämä solut jakautuvat väärin tuottaen yhden ison solun ja toisen hyvin pienen solun, joka ei sisällä lainkaan DNA: ta eikä siten voi enää selviytyä. Tämä tulos osoitti meille, että tämä glykolyysin viimeinen vaihe on erittäin tärkeä Z-renkaan oikean sijoittumisen kannalta solun keskellä.

sitten mietimme, tapahtuuko tämä muutos Z-renkaan asennossa siksi, että glykolyysin viimeiseen vaiheeseen osallistuva entsyymi puuttuu, vai siksi, että tämän entsyymin tuottama yhdiste, pyruvaatti, puuttuu? Kuva 2A). Testasimme tätä mahdollisuutta poistamalla entsyymin, jotta bakteerisolut eivät enää pystyisi itse tuottamaan pyruvaattia, ja sitten lisäsimme pyruvaattia osaksi bakteerien ravinnonlähdettä. Normaalisti solut, joilla ei ole pyruvaattia tuottavaa entsyymiä, muodostavat Z-renkaita solujen päitä kohti, mutta kun pyruvaattia lisättiin uudelleen, bakteerit alkoivat muodostaa Z-renkaita solun keskelle, kuten terveet bakteerisolut tekevät. Tutustu Z-renkaiden eri asentoihin soluissa, joista puuttuu glykolyysin viimeiseen vaiheeseen osallistuva entsyymi ja kun pyruvaattia lisätään takaisin näihin soluihin, kuvioissa 2C, D. Tämä tulos vahvisti, että Z—renkaan asennolle ei ole tärkeää entsyymi, vaan sen tuote-pyruvaatti. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun glykolyysiin osallistuvan kemikaalin ja solunjakautumisen välinen yhteys oli osoitettu, ja niin pyruvaatista tuli sitten lisäkokeidemme keskipiste.

miten ruuan saatavuus ratkaisee Z-Rengasaseman?

kun havaittiin, että pyruvaatti on tärkeä Z-renkaan muodostumiselle solun keskellä, tulimme entistä uteliaammiksi ymmärtämään, miten aineenvaihdunnan ja solunjakautumisen prosessit kommunikoivat. Tiedämme, että kun pyruvaattia tuotetaan, toinen entsyymi käyttää sitä tuottaakseen energiaa solussa. Mietimme, onko tämä toinen entsyymi tietyssä paikassa bakteerisolun sisällä, mikä auttaa Z-renkaan muodostumisessa keskellä.

tekemällä sekä DNA: sta että entsyymistä ”hehkua” näemme mikroskoopilla, missä ne sijaitsevat solun sisällä. Terveissä bakteereissa entsyymi ja DNA sijaitsivat samassa paikassa, jossa ne molemmat näkyivät pyöreinä möykkyinä solun sisällä (kuva 3). Soluissa, jotka eivät kyenneet tuottamaan pyruvaattia, havaittiin, että entsyymiä ei enää ollut samassa paikassa DNA: n kanssa, vaan entsyymi liikkui kohti solun kahta päätä. Tämä on sama paikka, jossa Z-renkaat muodostuvat soluihin, jotka eivät jakaudu kunnolla. Tiedämme jo, että pyruvaatin lisääminen näihin soluihin siirtää Z-renkaan takaisin solun keskelle, joten mietimme, muuttaisiko pyruvaatti myös entsyymin sijainnin takaisin DNA: n löytöpaikalle. Juuri näin tapahtui! Nämä tulokset osoittivat, että pyruvaatti on tärkeä Z-renkaan oikean sijoittumisen kannalta solun keskellä, ja pyruvaatti tekee tämän jotenkin toimimalla entsyymin kanssa, joka käyttää pyruvaattia energian tuottamiseen. Tämä on järkevää, koska pyruvaatti ja entsyymi toimivat yhdessä samaa reittiä.

tuloksemme osoittivat, että aineenvaihdunta ja bakteerisolun jakautuminen kommunikoivat keskenään pyruvaatin (ja entsyymin, joka käyttää pyruvaattia energian tuottamiseen) kautta, jotta Z-rengas muodostuu oikeaan paikkaan. Hyvin ruokituissa bakteereissa (jotka pystyvät kunnolla valmistamaan pyruvaattia) entsyymi sijaitsee samassa paikassa DNA: n kanssa solussa. Tässä kohdassa entsyymi näyttää auttavan Z-renkaan muodostumisessa solun keskelle, joten solu jakautuu oikein. Jos solut eivät kuitenkaan valmista pyruvaattia, entsyymi päätyy väärään paikkaan ja niin myös Z-rengas (solun päitä kohti). Kun ruokaa ei siis käsitellä oikein eikä pyruvaattia synny, bakteerit alkavat tehdä virheitä solunjakautumisprosessissa. Tämä on samanlaista kuin ihmisillä, joilla on laktoosi-intoleranssi. Maitoa juodessaan he eivät pysty käsittelemään laktoosia kunnolla ja siksi sairastuvat. Joten kyky käsitellä ruokaa oikein ja olla terve on todella tärkeää kaikille eläville asioille. Kun ruokaa ei käsitellä bakteereissa niin kuin sen pitäisi olla, Z-rengas muodostuu paikkoihin, joissa sitä ei pitäisi olla, mikä saa solut jakautumaan väärällä tavalla, mikä vähentää bakteerikannan selviytymismahdollisuuksia. Tämä jakovirhe voidaan korjata antamalla bakteereille oikea ruoka (lisäämällä takaisin pyruvaatti), osoittaa, että tapa, jolla bakteerit käyttävät ruokaa ympäristössään, on kriittinen niiden kykyyn kasvaa ja jakautua.

miksi välitämme aineenvaihdunta-jako-yhteydestä?

tässä tutkimuksessa esitetty kysymys kuului: miten bakteerit aistivat ravinnon saatavuuden ympäristössä ja miten ruoan läsnäolo vaikuttaa solujen jakautumiseen? Kun ruokaa on helppo löytää, bakteerit kasvavat ja jakautuvat hyvin nopeasti, mutta ne jakautuvat paljon hitaammin, kun ruokaa on niukasti. Sitä, miten bakteerit osaavat jakautua eri tahtiin, kun ympärillä on eritasoisia elintarvikkeita, ei tiedetä. Ymmärtämällä enemmän siitä, miten bakteerit voivat aistia saatavilla olevia ravinnonlähteitä, erityisesti infektion aikana, ja miten elintarvikkeiden aistiminen ohjaa bakteerien kasvua, voimme estää bakteereja saamasta oikeanlaista ruokaa tai pystymästä käsittelemään ruokaansa oikein, mikä voi estää niitä jakaantumasta ja estää niitä aiheuttamasta infektioita. Tämä johtuu siitä, että bakteerit eivät voi kasvaa kunnolla, jos ne eivät saa oikeaa ruokaa tai jos ne eivät käsittele ruokaa oikein. Tämä on samanlaista kuin ihmisillä: syömme hyvää ruokaa pysyäksemme terveinä ja syömättä jättäminen voi sairastuttaa meidät. Siksi sanonta ”olemme mitä syömme” pätee yhtä lailla bakteereihin ja ihmisiin. Tämän tutkimuksen perusteella olemme löytäneet jännittävän uuden yhteyden bakteerien aineenvaihdunnan ja solujen jakautumisen välillä. Mutta nämä prosessit ovat hyvin monimutkaisia, ja olemme vasta raapaisseet pintaa yrittääksemme ymmärtää tätä yhteyttä—joten seuraava askel on ratkaista tämä mysteeri.

tämän artikkelin alussa puhuttiin antibioottiresistenssistä. Miten aineenvaihdunnan ja solunjakautumisen yhteys liittyy antibioottiresistenssiin? Antibioottiresistenssiä koskevan ongelman ratkaisemiseksi meidän on kehitettävä uusia antibiootteja, jotka kohdistuvat bakteerien kasvuun ja eloonjäämiseen liittyviin tutkimattomiin näkökohtiin. Monet nykyisin saatavilla olevat antibiootit kohdistuvat prosesseihin, joita bakteerit käyttävät joko DNA: n, proteiinien tai bakteerisolun uloimman kerroksen valmistamiseen. Nämä antibiootit ovat olleet erittäin onnistuneita,mutta bakteerit ovat kehittäneet taktiikan jatkaa näiden prosessien, vaikka antibioottien. Tässä työssä tunnistimme bakteerien aineenvaihdunnan ja solunjakautumisen välisen uuden yhteyden, joka voisi toimia uusien antibioottien kohteena. Jos voisimme estää bakteereita valmistamasta pyruvaattia tai muuttaa sitä käyttävän entsyymin sijaintia solussa, sekä aineenvaihdunta että solunjakautuminen häiriintyvät ja solut kuolevat. Jos antibiootti voidaan tehdä, joka kohdistuu kahteen eri prosessiin, jotka ovat tärkeitä bakteerien selviytymisen (aineenvaihdunta ja solujen jakautuminen), se on vaikeampaa bakteerisolun tulla vastustuskykyisiä että antibiootti, koska se on kehitettävä taktiikkaa voittaa vaikutus antibiootin molemmat prosessit. Antibioottiresistenssin tekeminen bakteerisolun kannalta paljon vaikeammaksi tarjoaa toivottavasti uuden ratkaisun antibioottiresistenssin torjuntaan.

Sanasto

bakteerisolun jakautuminen: prosessi, jossa yksi bakteerisolu jakautuu kahdeksi soluksi.

DNA: solun sisällä oleva koodi, joka sisältää kaiken solun selviytymiseen tarvittavan tiedon.

metabolia: kaikkia kemiallisia prosesseja, jotka liittyvät ruoan muuttamiseen energiaksi, kutsutaan yhdessä aineenvaihdunnaksi.

entsyymi: biologinen komponentti, joka auttaa reagoimaan nopeasti.

glukoosi: yksinkertainen sokeri.

glykolyysi: reitti, joka hajottaa glukoosin kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi.

pyruvaatti: kemiallinen yhdiste, joka muodostuu glukoosin hajotessa (metaboloituu).

Eturistiriitalausunto

kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin pitää mahdollisena eturistiriitana.

kuittauksia

RM: ää tukee Australian hallituksen Tutkijakoulutusohjelman stipendi. AB ja EH tukevat Australian Research Council Discovery project grant dp150102062.

alkuperäinen lähde artikkeli

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G., and Harry, E. J. 2014. Bakteerien solunjakautumisen koordinointi ravinteiden saatavuuden kanssa: glykolyysin rooli. MBio 5 (3): 1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14