grænser for unge sind

er alle bakterier dårlige?

vi har altid masser af bakterier omkring os, da de lever næsten overalt—i luft, jord, i forskellige dele af vores kroppe og endda i nogle af de fødevarer, vi spiser, såsom yoghurt, ost og pickles. Men rolig! De fleste bakterier er gode for os. Nogle lever i vores fordøjelsessystemer og hjælper os med at fordøje vores mad, og nogle lever i miljøet og producerer ilt, så vi kan trække vejret og leve på jorden. Men desværre kan nogle få af disse vidunderlige skabninger nogle gange gøre os syge. Dette er, når vi har brug for at se en læge, der kan ordinere medicin til at kontrollere infektionen. Men hvad er disse lægemidler nøjagtigt, og hvordan kæmper de med bakterier? Disse lægemidler kaldes “antibiotika”, hvilket betyder ” mod bakteriens liv.”Som deres navn fortæller os, dræber antibiotika enten bakterier eller forhindrer dem i at vokse ved at stoppe en bestemt proces fra at arbejde inde i bakteriecellen. Når bakterierne holder op med at vokse, kan vores kroppe derefter rydde infektionen, og vi føler os bedre.

udviklingen af antibiotika er en af de største succeser i moderne medicin. Antibiotika har reddet millioner af liv, siden lægerne begyndte at bruge dem i 1940 ‘ erne. antibiotika har hjulpet mennesker med at få meget bedre liv ved at behandle næsten alle typer bakterielle infektioner. Men ligesom os er bakterier også kloge! Siden 1940 ‘ erne har bakterier udviklet taktik for at overvinde virkningerne af antibiotika, og i dag ser vi flere og flere bakterier, der slet ikke længere kan dræbes af antibiotika. Disse er blevet kendt som antibiotikaresistente bakterier eller “superbugs”, og de er en alvorlig trussel mod menneskers sundhed over hele verden. Hvis vi ikke har antibiotika til at stoppe bakterieinfektioner, kan selv noget så simpelt som et lille inficeret snit på fingeren blive livstruende. Derfor er der behov for nye våben i form af nye antibiotika til behandling af infektioner forårsaget af antibiotikaresistente bakterier. For at finde nye antibiotika skal vi først forstå bakteriecellens indre funktion fuldt ud. Vores laboratorium fokuserer på at forstå noget meget vigtigt om, hvordan bakterier virker—den måde bakterier bliver to celler fra en celle, også kaldet processen med bakteriel celledeling.

den bakterielle måde at blive to fra en

ligesom alle slags organismer skal alle bakterier vokse og formere sig for at overleve som en art. Når der er tilstrækkelig mad til rådighed, multipliceres bakterier hurtigt ved at fordoble i størrelse og derefter opdele i halvdelen for at skabe to nye celler . Dette er processen med “division” vist i figur 1a. bakterier bruger en slags maskiner inde i cellen til at gøre dette, som er kendt som en å-ring (Grøn ring i Figur 1). R-ringen dannes nøjagtigt i midten af cellen og vikles rundt om cellen. Når cellen deler sig, skaber dette to nye celler, der har samme størrelse. Under opdeling skal alt inde i cellen kopieres og deles ligeligt mellem de to nye celler. Dette inkluderer bakterielt DNA (vist som brune klatter inde i cellen i Figur 1), som er som en kode for bakterier, der bærer al den information, der er nødvendig for, at en celle kan overleve. Hvis nye celler ikke modtager en fuld kopi af disse oplysninger, kan de ikke vokse ordentligt og vil ikke overleve.

dannelsen af ring på nøjagtigt midten af cellen er afgørende for at producere to sunde celler; ellers vil en celle ikke indeholde DNA og vil dø (figur 1b). Dette resulterer i, at kun halvdelen af de nye bakterieceller overlever, hvilket ikke er så godt for bakterievækst. Her kommer et meget interessant spørgsmål-Hvordan sørger en bakteriecelle for, at r-ringen kun dannes midt i cellen og ikke andre steder i cellen? Det sted, hvor ringen dannes, er så vigtigt, at den er under kontrol af mange systemer, der arbejder sammen for at forhindre, at ringen dannes andre steder end midten af cellen.

ud over at sikre, at Å-ringen dannes på det rigtige sted, skal en celle også mærke det rigtige tidspunkt for at danne å-ringen og opdele. Dette afhænger meget af det miljø, som bakterierne er i. For eksempel, hvis det er ekstremt koldt, eller hvis der ikke er mad omkring, vokser bakterier meget langsomt og behøver ikke at opdele meget ofte. En god tid for bakterier at opdele er, når masser af deres yndlingsfødevarer, såsom enkle sukkerarter, er tilgængelige. I denne situation vil bakteriecellerne vokse hurtigere og begynde at dele sig meget hurtigt for at sikre, at der produceres så mange nye bakterier som muligt, før maden løber tør. Men spørgsmålet er—hvordan fornemmer bakterierne tilstedeværelsen af mad i sit miljø og bruger disse oplysninger til at fremskynde vækst og celledeling? Dette er det spørgsmål, vi ønskede at besvare i vores undersøgelse.

vores undersøgelse—bakteriel mad er ikke kun for energi, det gør mere……

fødevarer nedbrydes inde i en celle for at gøre energi og byggesten for cellen til at vokse, og processen der gør dette er kendt som metabolisme. Så med andre ord var spørgsmålet, som vi stillede i vores undersøgelse: hvordan er metabolisme forbundet med celledeling i bakterier? Først skal vi fortælle dig lidt om, hvordan stofskiftet fungerer. De er små komponenter inde i celler, der udfører alle de kemiske reaktioner, der kræves for at nedbryde mad under metabolisme. Glukose, som er et simpelt sukker, der kommer fra den mad, som bakterier spiser, nedbrydes i en række trin, der tilsammen er kendt som glykolyseprocessen (orange boks i figur 2a). Det sidste trin i glykolyse producerer en forbindelse kaldet pyruvat, der bruges til at generere energi og byggesten, så cellen kan vokse.

som vi fortalte dig før, danner en sund bakteriecelle en å-ring midt i cellen (figur 2b). I vores undersøgelse har vi fundet ud af, at hvis det sidste trin af glykolyse mangler (hvilket betyder, at bakterier ikke længere behandler deres mad korrekt), begynder bakteriecellen at danne ringen på andre steder end midten. Som du kan se i figur 2C, danner celler, der mangler det involveret i det sidste trin af glykolyse, ringene mod den ene ende af cellen. Dette er dårlige nyheder, og disse celler deler sig forkert og producerer en stor celle og en anden meget lille celle, der ikke indeholder noget DNA, og som derfor ikke længere kan overleve. Dette resultat viste os, at dette sidste trin af glykolyse er meget vigtigt for den korrekte placering af r-ringen i midten af cellen.

vi spekulerede derefter på, om denne ændring i positionen af Å-ringen sker, fordi den involverede i det sidste trin af glykolyse mangler, eller fordi forbindelsen produceret af dette pyruvat, mangler? (se figur 2a). Vi testede denne mulighed ved at fjerne det, så bakterieceller ikke længere kunne producere pyruvat selv, og derefter tilføjede vi pyruvat som en del af bakteriens fødekilde. Normalt danner celler, der mangler det, der skaber pyruvat, ringene mod enderne af cellerne, men når pyruvat blev tilsat igen, begyndte bakterierne at danne ringene i midten af cellen, som sunde bakterieceller gør. I figur 2C, D. Dette resultat bekræftede, at det ikke er selve ringen, der er vigtig for positionen af ringen, men dens produkt—pyruvat. Dette var første gang, at der blev vist en forbindelse mellem et kemikalie involveret i glykolyse og celledeling, og så blev pyruvat derefter fokus for vores yderligere eksperimenter.

Hvordan bestemmer tilgængeligheden af fødevarer placeringen af ringen?

med konstateringen af, at pyruvat er vigtigt for dannelse af Ring i midten af cellen, blev vi endnu mere nysgerrige efter at forstå, hvordan processerne for metabolisme og celledeling kommunikerer. Vi ved, at når pyruvat produceres, bliver det derefter brugt af et andet ferment til at producere energi i cellen. Vi spekulerede på, om dette andet er placeret et bestemt sted inde i en bakteriecelle, hvilket hjælper med at danne en ring i midten.

ved at lave både DNA ‘ et og “glød” kan vi se, hvor de er placeret inde i cellen ved hjælp af et mikroskop. Hos raske bakterier fandt vi, at DNA og DNA var placeret på samme sted, hvor de begge kunne ses som runde klatter inde i cellen (figur 3). I celler, der ikke kunne producere pyruvat, fandt vi, at det ikke længere var til stede på samme sted som DNA ‘ et, men i stedet bevægede det sig mod de to ender af cellen. Dette er det samme sted, hvor der dannes r-ringe i cellerne, der ikke deler sig ordentligt. Vi ved allerede, at tilføjelse af pyruvat til disse celler skifter ringen tilbage til midten af cellen igen, så vi spekulerede på, om pyruvat også ville ændre placeringen af pyruvat tilbage til hvor DNA ‘ et blev fundet. Dette er præcis, hvad der skete! Disse resultater viste, at pyruvat er vigtigt for den korrekte positionering af ringen i midten af cellen, og pyruvat gør det på en eller anden måde ved at arbejde med pyruvatet, der bruger pyruvat til at lave energi. Dette giver mening, fordi pyruvat og f.eks.

vores resultater viste, at metabolisme og bakteriecelledeling kommunikerer med hinanden gennem pyruvat (og det, der bruger pyruvat til at producere energi) for at sikre, at der dannes ring på det rigtige sted. I godt fodrede bakterier (der korrekt kan fremstille pyruvat) er fsymet placeret på samme sted som DNA i cellen. På dette sted ser det ud til, at det hjælper med at danne ring i midten af cellen, så cellen deler sig korrekt. Men hvis cellerne ikke laver pyruvat, ender det på det forkerte sted, og det gør også ringen (mod enderne af cellen). Så når mad ikke behandles korrekt, og pyruvat ikke produceres, begynder bakterier at begå fejl i celledelingsprocessen. Dette svarer til det, der ses hos mennesker med laktoseintolerance. Når de drikker mælk, kan de ikke behandle lactose ordentligt og bliver derfor syge. Så evnen til korrekt at behandle mad og være sund er virkelig vigtig for alle levende ting. Når mad ikke forarbejdes, som den skal være i bakterier, dannes r-ringen på steder, hvor den ikke skal være, hvilket får celler til at opdele den forkerte måde, hvilket reducerer antallet af bakteriers chance for, at bakteriepopulationen overlever. Denne fejl i Opdeling kan løses ved at give bakterier den rigtige mad (tilføjelse af pyruvat), hvilket viser, at den måde, bakterier bruger maden på i deres miljø, er kritisk for deres evne til at vokse og opdele.

hvorfor bekymrer vi os om metabolisme-Divisionslinket?

det spørgsmål, vi stillede i denne undersøgelse, var: hvordan mærker bakterier madtilgængelighed i miljøet, og hvordan påvirker tilstedeværelsen af mad processen med celledeling? Når mad er let at finde, vokser bakterier og deler sig meget hurtigt, men de deler sig meget langsommere, når mad er knap. Hvordan bakterier ved at opdele i forskellige hastigheder, når forskellige niveauer af mad er omkring, vides ikke. Ved at forstå mere om, hvordan bakterier kan mærke tilgængelige fødekilder, især under infektion, og hvordan sensing af mad styrer bakterievækst, kan vi stoppe bakterier fra at få den rigtige type mad eller fra at kunne behandle deres mad korrekt, hvilket kan forhindre dem i at dele sig og forhindre dem i at forårsage infektioner. Dette skyldes, at bakterier ikke kan vokse ordentligt, hvis de ikke får den rigtige mad, eller hvis de ikke behandler mad korrekt. Dette ligner mennesker-vi spiser god mad for at forblive sunde og ikke at spise den rigtige mad kan gøre os syge. Derfor gælder udtrykket” Vi er hvad vi spiser ” lige for bakterier og mennesker. Fra denne undersøgelse har vi fundet en spændende ny forbindelse mellem bakteriel metabolisme og celledeling. Men disse processer er meget komplekse, og vi har kun lige ridset overfladen for at forsøge at forstå dette link—så det næste skridt vil være at løse dette mysterium.

i begyndelsen af denne artikel talte vi om spørgsmålet om antibiotikaresistens. Hvad har forbindelsen mellem metabolisme og celledeling at gøre med antibiotikaresistens? For at tackle spørgsmålet om antibiotikaresistens er vi nødt til at udvikle nye antibiotika, der er målrettet mod uudforskede aspekter af bakterievækst og overlevelse. Mange af de aktuelt tilgængelige antibiotika er målrettet mod processer, som bakterier bruger til at fremstille enten DNA, proteiner eller det ydre lag af bakteriecellen. Disse antibiotika har været meget succesrige, men bakterier har udviklet taktik til at fortsætte med at udføre disse processer, selv i nærvær af antibiotika. I dette arbejde identificerede vi en ny forbindelse mellem metabolisme og celledeling i bakterier, som kunne tjene som et mål for nye antibiotika. Hvis vi kunne forhindre bakterier i at fremstille pyruvat eller ændre, hvor det, der bruger pyruvat, er placeret i cellen, vil både metabolisme og celledeling blive forstyrret, og cellerne vil dø. Hvis der kan fremstilles et antibiotikum, der er målrettet mod to forskellige processer, der er vigtige for bakterieoverlevelse (stofskifte og celledeling), vil det være vanskeligere for bakteriecellen at blive resistent over for det antibiotikum, da det bliver nødt til at udvikle taktik for at overvinde virkningen af antibiotika på begge disse processer. At gøre antibiotikaresistens meget sværere for en bakteriecelle at opnå vil forhåbentlig give en ny løsning til bekæmpelse af antibiotikaresistens.

ordliste

bakteriel celledeling: processen med en bakteriecelle opdeling i to celler.

DNA: koden i en celle, der bærer alle de oplysninger, der er nødvendige for, at en celle kan overleve.

metabolisme: alle de kemiske processer, der er involveret i omdannelse af mad til energi, kaldes sammen metabolisme.

en biologisk komponent, der hjælper en reaktion til at ske hurtigt.

glukose: et simpelt sukker.

glykolyse: en vej, der bryder glukose i to molekyler pyruvat.

pyruvat: en kemisk forbindelse produceret efter glukose nedbrydes (metaboliseres).

interessekonflikt Erklæring

forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.

anerkendelser

RM understøttes af en australsk regering Forskning uddannelsesprogram stipendium. AB og EH er støttet af et australsk Forskningsråd Discovery project grant DP150102062.

oprindelig Kildeartikel

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G. og Harry, E. J. 2014. Koordinering af bakteriecelledeling med næringsstoftilgængelighed: en rolle for glykolyse. MBio 5 (3): 1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14