határok a fiatal elmék számára

minden baktérium rossz?

mindig sok-sok baktérium van körülöttünk, mivel szinte mindenhol élnek-a levegőben, a talajban, a testünk különböző részein, és még néhány ételben is, mint például a joghurt, a sajt és a savanyúság. De ne aggódj! A legtöbb baktérium jó nekünk. Néhányan az emésztőrendszerünkben élnek, és segítenek megemészteni ételeinket, mások pedig a környezetben élnek, és oxigént termelnek, hogy lélegezhessünk és élhessünk a Földön. De sajnos néhány ilyen csodálatos lény néha megbetegíthet minket. Ez az, amikor orvoshoz kell fordulnunk, aki gyógyszereket írhat fel a fertőzés kezelésére. De pontosan mik ezek a gyógyszerek és hogyan küzdenek a baktériumokkal? Ezeket a gyógyszereket “antibiotikumoknak” nevezik, ami azt jelenti, hogy “a baktériumok élete ellen.”Ahogy a nevük is mondja, az antibiotikumok vagy elpusztítják a baktériumokat, vagy megállítják a növekedést azáltal, hogy megállítják egy adott folyamat működését a baktériumsejtben. Amikor a baktériumok növekedése leáll, testünk megszabadulhat a fertőzéstől, és jobban érezzük magunkat.

az antibiotikumok kifejlesztése a modern orvostudomány egyik legnagyobb sikere. Az antibiotikumok milliók életét mentették meg, mióta az orvosok az 1940-es években elkezdték használni őket. az antibiotikumok segítettek az embereknek sokkal jobb életet élni azáltal, hogy szinte minden típusú bakteriális fertőzést sikeresen kezeltek. De mint mi, a baktériumok is okosak! Az 1940-es évek óta a baktériumok taktikát fejlesztettek ki az antibiotikumok hatásainak leküzdésére, és ma egyre több baktériumot látunk, amelyeket az antibiotikumok már nem tudnak megölni. Ezek antibiotikum-rezisztens baktériumok vagy “szuperbaktériumok” néven váltak ismertté, és komoly veszélyt jelentenek az emberek egészségére az egész világon. Ha nincs antibiotikumunk a bakteriális fertőzések megállítására, még olyan egyszerű dolog is, mint egy kis fertőzött vágás az ujján, életveszélyessé válhat. Ezért új fegyverekre van szükség új antibiotikumok formájában az antibiotikum-rezisztens baktériumok által okozott fertőzések kezelésére. Új antibiotikumok megtalálásához először teljes mértékben meg kell értenünk a baktériumsejt belső működését. Laboratóriumunk arra összpontosít, hogy megértsünk valami nagyon fontosat a baktériumok működéséről—arról, hogy a baktériumok hogyan válnak két sejtből egy sejtből, más néven a baktériumsejt-osztódás folyamatának.

a baktériumok módja annak, hogy Kettővé váljanak egyből

mint minden fajta organizmusnak, minden baktériumnak növekednie és szaporodnia kell, hogy fajként fennmaradjon. Ha elegendő táplálék áll rendelkezésre, a baktériumok gyorsan szaporodnak, megduplázva a méretüket, majd kettéosztva két új sejtet hoznak létre . Ez az 1a. ábrán látható “osztódás” folyamata. a baktériumok ehhez egyfajta gépet használnak a sejt belsejében, amelyet Z gyűrűnek (Zöld gyűrű az 1.ábrán) neveznek. A Z gyűrű pontosan a sejt közepén alakul ki, és a sejt köré tekeredik. Amikor a sejt osztódik, ez két új, azonos méretű cellát hoz létre. Az Osztás során a sejten belül mindent le kell másolni, és egyenlően meg kell osztani a két új sejt között. Ez magában foglalja a bakteriális DNS-t (az 1.ábrán barna foltokként látható a sejt belsejében), amely olyan, mint a baktériumok kódja, amely a sejt túléléséhez szükséges összes információt hordozza. Ha az új sejtek nem kapják meg az információ teljes másolatát, akkor nem tudnak megfelelően növekedni és nem fognak túlélni.

A Z gyűrű pontosan a sejt közepén történő kialakulása elengedhetetlen két egészséges sejt előállításához; különben az egyik sejt nem tartalmaz DNS-t, és meghal (1b ábra). Ennek eredményeként az új baktériumsejteknek csak a fele marad életben, ami nem olyan jó a baktériumok szaporodásához. Itt jön egy nagyon érdekes kérdés—hogyan biztosítja egy baktériumsejt, hogy a Z gyűrű csak a sejt közepén alakuljon ki, a sejtben sehol máshol nem? Az a hely, ahol a Z gyűrű képződik, annyira fontos, hogy sok olyan rendszer irányítása alatt áll, amelyek együtt működnek annak érdekében, hogy megakadályozzák a Z gyűrű kialakulását a cella közepétől eltérő helyen.

amellett, hogy a sejtnek meg kell győződnie arról, hogy a Z gyűrű a megfelelő helyen alakul ki, a sejtnek is érzékelnie kell a megfelelő időt a Z gyűrű kialakításához és az osztódáshoz. Ez nagyban függ attól a környezettől, amelyben a baktériumok vannak. Például, ha rendkívül hideg van, vagy ha nincs étel a közelben, a baktériumok nagyon lassan növekednek, és nem kell nagyon gyakran osztódniuk. A baktériumok megosztásának jó ideje, amikor rengeteg kedvenc ételük, például egyszerű cukrok állnak rendelkezésre. Ebben a helyzetben a baktériumsejtek gyorsabban növekednek, és nagyon gyorsan elkezdenek osztódni, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy a lehető legtöbb új baktérium termelődik, mielőtt az élelmiszer elfogy. De a kérdés az, hogy a baktériumok hogyan érzékelik az élelmiszer jelenlétét a környezetükben, és hogyan használják fel ezt az információt a növekedés és a sejtosztódás felgyorsítására? Ezt a kérdést akartuk megválaszolni tanulmányunkban.

tanulmányunk-a bakteriális étel nem egyszerűen energiát szolgál, hanem többet tesz……

az étel a sejt belsejében lebomlik, hogy energiát és építőelemeket készítsen a sejt növekedéséhez, és ezt a folyamatot anyagcserének nevezik. Tehát más szavakkal, a vizsgálatunkban feltett kérdés a következő volt: hogyan kapcsolódik az anyagcsere a baktériumok sejtosztódásához? Először is el kell mondanunk egy kicsit arról, hogyan működik az anyagcsere. Az enzimek apró komponensek a sejtekben, amelyek elvégzik az összes kémiai reakciót, amely az anyagcsere során az élelmiszer lebontásához szükséges. A glükózt, amely egy egyszerű cukor, amely a baktériumok által elfogyasztott ételből származik, enzimek bontják le számos lépésben, amelyeket együttesen glikolízisnek neveznek (narancssárga doboz a 2a.ábrán). A glikolízis utolsó lépése egy piruvát nevű vegyületet hoz létre, amelyet energia és építőelemek előállítására használnak a sejt növekedéséhez.

mint korábban elmondtuk, egy egészséges baktériumsejt Z-gyűrűt képez a sejt közepén (2b ábra). Vizsgálatunkban azt találtuk, hogy ha hiányzik az enzim, amely a glikolízis utolsó lépését végzi (vagyis a baktériumok már nem megfelelően dolgozzák fel az ételüket), a baktériumsejt a középső helyektől eltérő helyeken kezdi kialakítani a Z gyűrűt. Amint az A 2C ábrán látható, a glikolízis utolsó lépésében részt vevő enzim hiányában lévő sejtek Z gyűrűket képeznek a sejt egyik vége felé. Ez rossz hír, és ezek a sejtek helytelenül osztódnak, létrehozva egy nagy és egy másik nagyon kicsi sejtet, amely nem tartalmaz semmilyen DNS-t, és így már nem képes túlélni. Ez az eredmény azt mutatta, hogy a glikolízis ezen utolsó lépése nagyon fontos a Z gyűrű helyes elhelyezéséhez a sejt közepén.

ezután azon tűnődtünk, vajon ez a változás a Z gyűrű helyzetében azért történik-e, mert hiányzik a glikolízis utolsó lépésében részt vevő enzim, vagy azért, mert hiányzik az enzim által termelt vegyület, a piruvát? (lásd a 2A. ábrát). Ezt a lehetőséget teszteltük az enzim eltávolításával, hogy a baktériumsejtek már ne tudjanak maguk előállítani piruvátot, majd hozzáadtuk a piruvátot a baktériumok táplálékforrásának részeként. Normális esetben a piruvátot létrehozó enzim hiányában a sejtek Z gyűrűket képeznek a sejtek vége felé, de amikor a piruvátot ismét hozzáadták, a baktériumok a sejt közepén kezdték kialakítani a Z gyűrűket, mint az egészséges baktériumsejtek. Vessen egy pillantást a Z gyűrűk különböző helyzeteire azokban a sejtekben, amelyekben hiányzik a glikolízis utolsó lépésében részt vevő enzim,és amikor piruvátot adnak vissza ezekhez a sejtekhez, a 2C, D. Ez az eredmény megerősítette, hogy nem maga az enzim fontos a Z gyűrű helyzetében, hanem annak terméke—piruvát. Ez volt az első alkalom, hogy kapcsolatot mutattak ki a glikolízisben részt vevő vegyi anyag és a sejtosztódás között, így a piruvát ezután a további kísérleteink középpontjába került.

hogyan határozza meg az élelmiszer rendelkezésre állása a Z gyűrű helyzetét?

azzal a megállapítással, hogy a piruvát fontos a sejt közepén lévő Z gyűrű kialakulásához, még kíváncsibbá váltunk, hogy megértsük, hogyan kommunikálnak az anyagcsere és a sejtosztódás folyamatai. Tudjuk, hogy amikor piruvátot állítanak elő, akkor egy másik enzim felhasználja az energiát a sejtben. Arra gondoltunk, vajon ez a második enzim egy bizonyos helyen található-e egy baktériumsejt belsejében, ami elősegíti a Z gyűrű kialakulását a közepén.

azáltal, hogy mind a DNS, mind az enzim “ragyog”, mikroszkóp segítségével láthatjuk, hol helyezkednek el a sejten belül. Egészséges baktériumoknál azt találtuk, hogy az enzim és a DNS ugyanazon a helyen található, ahol mindkettő kerek foltként látható a sejten belül (3.ábra). Azokban a sejtekben, amelyek nem tudtak piruvátot előállítani, azt találtuk, hogy az enzim már nem volt jelen a DNS-sel azonos helyen, ehelyett az enzim a sejt két vége felé mozdult el. Ez ugyanaz a hely, ahol Z gyűrűk alakulnak ki a nem megfelelően osztódó sejtekben. Már tudjuk, hogy piruvát hozzáadása ezekhez a sejtekhez a Z gyűrűt ismét a sejt közepére tolja, ezért azon tűnődtünk, vajon a piruvát megváltoztatja-e az enzim helyét is oda, ahol a DNS található. Pontosan ez történt! Ezek az eredmények azt mutatták, hogy a piruvát fontos a Z gyűrű helyes elhelyezéséhez a sejt közepén, és a piruvát ezt valahogy úgy teszi meg, hogy együttműködik az enzimmel, amely piruvátot használ az energia előállításához. Ennek van értelme, mert a piruvát és az enzim ugyanazon az úton működik együtt.

eredményeink azt mutatták, hogy az anyagcsere és a bakteriális sejtosztódás a piruváton (és az enzimen, amely piruvátot használ az energia előállításához) keresztül kommunikál egymással, hogy biztosítsa a Z gyűrű kialakulását a megfelelő helyen. A jól táplált baktériumokban (amelyek képesek megfelelően előállítani a piruvátot) az enzim ugyanazon a helyen található, mint a DNS a sejtben. Ezen a helyen úgy tűnik, hogy az enzim segíti a Z gyűrű kialakulását a sejt közepén, így a sejt helyesen oszlik meg. Ha azonban a sejtek nem termelnek piruvátot, akkor az enzim rossz helyre kerül, így a Z gyűrű is (a sejt vége felé). Tehát, ha az ételt nem megfelelően dolgozzák fel, és a piruvátot nem állítják elő, a baktériumok hibákat követnek el a sejtosztódás folyamatában. Ez hasonló ahhoz, amit a laktóz intoleranciában szenvedő embereknél észlelnek. Amikor tejet isznak, nem tudják megfelelően feldolgozni a laktózt, ezért megbetegednek. Tehát az a képesség, hogy helyesen dolgozzuk fel az ételt és egészségesek legyünk, nagyon fontos minden élőlény számára. Ha az ételt nem úgy dolgozzák fel, ahogy a baktériumokban kellene lennie, akkor a Z gyűrű olyan helyeken képződik, ahol nem szabad, ami miatt a sejtek rosszul osztódnak, csökkentve a baktériumok számát esély a baktériumpopuláció túlélésére. Ez a felosztási hiba kijavítható a baktériumok megfelelő táplálékának megadásával (piruvát hozzáadásával), megmutatva, hogy a baktériumok környezetükben az élelmiszer felhasználásának módja kritikus a növekedésük és osztódásuk szempontjából.

miért érdekel minket az anyagcsere-osztály kapcsolat?

ebben a tanulmányban feltettük a kérdést: hogyan érzékelik a baktériumok az élelmiszer elérhetőségét a környezetben, és hogyan befolyásolja az élelmiszer jelenléte a sejtosztódás folyamatát? Amikor az étel könnyen megtalálható, a baktériumok nagyon gyorsan növekednek és osztódnak, de sokkal lassabban osztódnak, ha kevés az élelmiszer. Nem ismert, hogy a baktériumok hogyan tudnak különböző sebességgel osztódni, ha különböző szintű élelmiszerek vannak. Ha jobban megértjük, hogy a baktériumok hogyan érzékelik a rendelkezésre álló élelmiszerforrásokat, különösen a fertőzés során, és hogy az élelmiszer érzékelése hogyan szabályozza a baktériumok szaporodását, megakadályozhatjuk a baktériumokat abban, hogy megfelelő típusú ételt kapjanak, vagy képesek legyenek megfelelően feldolgozni ételeiket, ami megakadályozhatja őket az osztódásban és megakadályozza őket a fertőzések okozásában. Ennek oka az, hogy a baktériumok nem tudnak megfelelően növekedni, ha nem kapják meg a megfelelő ételt, vagy ha nem megfelelően dolgozzák fel az ételt. Ez hasonló az emberekhez—jó ételeket eszünk, hogy egészségesek maradjunk,és ha nem eszünk megfelelő ételt, megbetegíthetünk. Ezért a “mi vagyunk, amit eszünk” kifejezés ugyanúgy vonatkozik a baktériumokra és az emberekre. Ebből a tanulmányból izgalmas új kapcsolatot találtunk a baktériumok anyagcseréje és a sejtosztódás között. De ezek a folyamatok nagyon összetettek, és csak a felszínt kapargattuk, hogy megpróbáljuk megérteni ezt a kapcsolatot—tehát a következő lépés ennek a rejtélynek a megoldása lesz.

a cikk elején az antibiotikum-rezisztencia kérdéséről beszéltünk. Mi köze van az anyagcserének és a sejtosztódásnak az antibiotikum-rezisztenciához? Az antibiotikum-rezisztencia problémájának megoldásához új antibiotikumokat kell kifejlesztenünk, amelyek a baktériumok növekedésének és túlélésének felderítetlen aspektusait célozzák meg. A jelenleg rendelkezésre álló antibiotikumok közül sok olyan folyamatokat céloz meg, amelyeket a baktériumok DNS, fehérjék vagy a baktériumsejt külső rétegének előállításához használnak. Ezek az antibiotikumok nagyon sikeresek voltak, de a baktériumok taktikát fejlesztettek ki ezeknek a folyamatoknak a folytatására, még antibiotikumok jelenlétében is. Ebben a munkában új kapcsolatot azonosítottunk a baktériumok anyagcseréje és sejtosztódása között, amely új antibiotikumok célpontjaként szolgálhat. Ha meg tudnánk állítani a baktériumokat a piruvát előállításában, vagy megváltoztatnánk a piruvátot használó enzim helyét a sejten belül, mind az anyagcsere, mind a sejtosztódás megszakad, és a sejtek meghalnak. Ha olyan antibiotikumot lehet előállítani, amely két különböző folyamatot céloz meg, amelyek fontosak a baktériumok túlélése szempontjából (anyagcsere és sejtosztódás), akkor a baktériumsejtnek nehezebb lesz rezisztenssé válnia az adott antibiotikummal szemben, mivel taktikát kell kidolgoznia az antibiotikum mindkét folyamatra gyakorolt hatásának leküzdésére. Az antibiotikum-rezisztencia sokkal nehezebbé tétele a baktériumsejtek számára remélhetőleg új megoldást kínál az antibiotikum-rezisztencia leküzdésére.

szószedet

bakteriális sejtosztódás: egy baktériumsejt két sejtre történő felosztása.

DNS: a sejten belüli kód, amely a sejt túléléséhez szükséges összes információt hordozza.

anyagcsere: az élelmiszer energiává történő átalakításában részt vevő összes kémiai folyamatot együtt metabolizmusnak nevezzük.

enzim: olyan biológiai összetevő, amely elősegíti a reakció gyors bekövetkezését.

glükóz: egyszerű cukor.

glikolízis: olyan út, amely a glükózt két piruvát molekulára bontja.

piruvát: a glükóz lebontása (metabolizálása) után előállított kémiai vegyület.

összeférhetetlenségi nyilatkozat

a szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségnek tekinthetők.

Köszönetnyilvánítás

az RM-et egy ausztrál kormány Kutatási Képzési Program ösztöndíja támogatja. Az AB-t és az EH-t az Ausztrál Kutatási Tanács Dp150102062 kutatási projektje támogatja.

eredeti forrás cikk

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G., and Harry, E. J. 2014. A baktériumok sejtosztódásának koordinálása a tápanyagok elérhetőségével: a glikolízis szerepe. MBio 5(3):1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14