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Tutti i batteri sono cattivi?

Abbiamo sempre un sacco di batteri intorno a noi, come vivono quasi ovunque—in aria, suolo, in diverse parti del nostro corpo, e anche in alcuni degli alimenti che mangiamo, come yogurt, formaggio, e sottaceti. Ma non preoccuparti! La maggior parte dei batteri fa bene a noi. Alcuni vivono nei nostri sistemi digestivi e ci aiutano a digerire il nostro cibo, e alcuni vivono nell’ambiente e producono ossigeno in modo che possiamo respirare e vivere sulla Terra. Ma sfortunatamente, alcune di queste meravigliose creature a volte possono farci ammalare. Questo è quando abbiamo bisogno di vedere un medico, che può prescrivere farmaci per controllare l’infezione. Ma cosa sono esattamente queste medicine e come combattono con i batteri? Questi farmaci sono chiamati “antibiotici”, che significa ” contro la vita dei batteri.”Come ci dice il loro nome, gli antibiotici uccidono i batteri o impediscono loro di crescere fermando un processo specifico dal lavoro all’interno della cellula batterica. Quando i batteri smettono di crescere, i nostri corpi possono quindi eliminare l’infezione e ci sentiamo meglio.

Lo sviluppo di antibiotici è uno dei più grandi successi della medicina moderna. Gli antibiotici hanno salvato milioni di vite da quando i medici hanno iniziato ad usarli nel 1940. Gli antibiotici hanno aiutato gli esseri umani ad avere una vita molto migliore trattando con successo quasi tutti i tipi di infezioni batteriche. Ma come noi, anche i batteri sono intelligenti! Dal 1940, i batteri hanno sviluppato tattiche per superare gli effetti degli antibiotici, e oggi stiamo vedendo sempre più batteri che non possono più essere uccisi dagli antibiotici. Questi sono diventati noti come batteri resistenti agli antibiotici o “superbatteri” e rappresentano una seria minaccia per la salute delle persone in tutto il mondo. Se non abbiamo antibiotici per fermare le infezioni batteriche, anche qualcosa di semplice come un piccolo taglio infetto sul dito potrebbe diventare pericoloso per la vita. Pertanto, sono necessarie nuove armi, sotto forma di nuovi antibiotici, per trattare le infezioni causate da batteri resistenti agli antibiotici. Per trovare nuovi antibiotici, dobbiamo prima comprendere appieno il funzionamento interno della cellula batterica. Il nostro laboratorio si concentra sulla comprensione di qualcosa di molto importante su come funzionano i batteri – il modo in cui i batteri diventano due cellule da una cellula, chiamato anche il processo di divisione cellulare batterica.

Il modo batterico per diventare due da uno

Come tutti i tipi di organismi, tutti i batteri hanno bisogno di crescere e moltiplicarsi per sopravvivere come specie. Quando è disponibile cibo sufficiente, i batteri si moltiplicano rapidamente raddoppiando le dimensioni e poi si dividono a metà, per creare due nuove cellule . Questo è il processo di “divisione” mostrato in Figura 1A. I batteri usano un tipo di macchinario all’interno della cellula per farlo, che è noto come anello Z (anello verde in Figura 1). L’anello Z si forma esattamente al centro della cellula e avvolge la cellula. Quando la cella si divide, questo crea due nuove celle della stessa dimensione. Durante la divisione, tutto all’interno della cella deve essere copiato e ugualmente condiviso tra le due nuove celle. Questo include il DNA batterico (mostrato come macchie marroni all’interno della cellula in Figura 1), che è come un codice per i batteri che trasporta tutte le informazioni necessarie per una cellula per sopravvivere. Se le nuove cellule non ricevono una copia completa di queste informazioni, non possono crescere correttamente e non sopravviveranno.

La formazione dell’anello Z esattamente al centro della cellula è essenziale per produrre due cellule sane; altrimenti una cellula non conterrà DNA e morirà (Figura 1B). Ciò si traduce in solo la metà delle nuove cellule batteriche sopravvivere, che non è così buono per la crescita batterica. Ecco una domanda molto interessante: come fa una cellula batterica a assicurarsi che l’anello Z si formi solo nel mezzo della cellula e non in qualsiasi altra parte della cellula? Il luogo in cui si forma l’anello Z è così importante che è sotto il controllo di molti sistemi che lavorano insieme per impedire che l’anello Z si formi ovunque oltre al centro della cella.

Oltre a fare in modo che l’anello Z si formi al posto giusto, una cella deve anche percepire l’ora corretta per formare l’anello Z e per dividere. Questo dipende molto dall’ambiente in cui si trovano i batteri. Ad esempio, se è estremamente freddo o se non c’è cibo in giro, i batteri crescono molto lentamente e non hanno bisogno di dividersi molto spesso. Un buon momento per i batteri di dividere è quando un sacco di loro cibi preferiti, come gli zuccheri semplici, sono disponibili. In questa situazione, le cellule batteriche cresceranno più velocemente e inizieranno a dividersi molto rapidamente, per assicurarsi che vengano prodotti quanti più nuovi batteri possibili prima che il cibo finisca. Ma la domanda è: in che modo i batteri percepiscono la presenza di cibo nel suo ambiente e usano queste informazioni per accelerare la crescita e la divisione cellulare? Questa è la domanda a cui volevamo rispondere nel nostro studio.

Il nostro studio-Il cibo batterico non è semplicemente per l’energia, ma fa di più……

Il cibo viene scomposto all’interno di una cellula per produrre energia e mattoni affinché la cellula cresca, e il processo che lo fa è noto come metabolismo. Quindi, in altre parole, la domanda che ci siamo posti nel nostro studio era: in che modo il metabolismo è collegato alla divisione cellulare nei batteri? Per prima cosa, dobbiamo dirti un po ‘ su come funziona il metabolismo. Gli enzimi sono piccoli componenti all’interno delle cellule che svolgono tutte le reazioni chimiche necessarie per abbattere il cibo durante il metabolismo. Il glucosio, che è uno zucchero semplice che proviene dal cibo che i batteri mangiano, viene scomposto dagli enzimi in una serie di passaggi, che insieme sono noti come il processo di glicolisi (scatola arancione in Figura 2A). L’ultima fase della glicolisi produce un composto chiamato piruvato che viene utilizzato per generare energia e mattoni per la crescita della cellula.

Come vi abbiamo detto prima, una cellula batterica sana forma un anello Z al centro della cellula (Figura 2B). Nel nostro studio, abbiamo scoperto che, se manca l’enzima che esegue l’ultimo passaggio della glicolisi (il che significa che i batteri non elaborano più correttamente il loro cibo), la cellula batterica inizia a formare l’anello Z in posizioni diverse dal centro. Come si può vedere nella Figura 2C, le cellule prive dell’enzima coinvolto nell’ultima fase della glicolisi formano anelli Z verso un’estremità della cellula. Questa è una cattiva notizia, e queste cellule si dividono in modo errato, producendo una cellula grande e un’altra molto piccola che non contiene alcun DNA, e quindi non può più sopravvivere. Questo risultato ci ha mostrato che quest’ultima fase della glicolisi è molto importante per il corretto posizionamento dell’anello Z al centro della cellula.

Ci siamo quindi chiesti se questo cambiamento nella posizione dell’anello Z avviene perché manca l’enzima coinvolto nell’ultimo passaggio della glicolisi o perché manca il composto prodotto da questo enzima, il piruvato? (vedi Figura 2A). Abbiamo testato questa possibilità rimuovendo l’enzima, in modo che le cellule batteriche non potessero più produrre piruvato da sole, e poi abbiamo aggiunto il piruvato come parte della fonte alimentare dei batteri. Normalmente, le cellule prive dell’enzima che crea il piruvato formano anelli Z verso le estremità delle cellule, ma quando il piruvato è stato aggiunto di nuovo, i batteri hanno iniziato a formare gli anelli Z nel mezzo della cellula, come fanno le cellule batteriche sane. Hanno uno sguardo alle diverse posizioni di Z anelli in cellule manca l’enzima coinvolto nell’ultima fase della glicolisi e quando piruvato viene aggiunto a queste cellule, in figura 2C,D. Questo risultato ha confermato che non è l’enzima stesso, che è importante per la posizione dell’anello Z, ma proprio prodotto, il piruvato. Questa è stata la prima volta che è stato dimostrato un legame tra una sostanza chimica coinvolta nella glicolisi e nella divisione cellulare, e quindi il piruvato è diventato il fulcro dei nostri ulteriori esperimenti.

In che modo la disponibilità di cibo decide la posizione dell’anello Z?

Con la scoperta che il piruvato è importante per la formazione dell’anello Z nel mezzo della cellula, siamo diventati ancora più curiosi di capire come comunicano i processi del metabolismo e della divisione cellulare. Sappiamo che quando il piruvato viene prodotto, viene utilizzato da un altro enzima per produrre energia nella cellula. Ci siamo chiesti se questo secondo enzima si trovasse in un certo punto all’interno di una cellula batterica, che aiuta la forma dell’anello Z nel mezzo.

Facendo “brillare” sia il DNA che l’enzima, possiamo vedere dove si trovano all’interno della cellula usando un microscopio. Nei batteri sani, abbiamo scoperto che l’enzima e il DNA si trovavano nello stesso luogo, dove entrambi potevano essere visti come macchie rotonde all’interno della cellula (Figura 3). Nelle cellule che non potevano produrre piruvato, abbiamo scoperto che l’enzima non era più presente nello stesso punto del DNA, invece l’enzima si muoveva verso le due estremità della cellula. Questo è lo stesso luogo in cui si formano gli anelli Z nelle celle che non si dividono correttamente. Sappiamo già che l’aggiunta di piruvato a queste cellule sposta di nuovo l’anello Z al centro della cellula, quindi ci siamo chiesti se il piruvato cambierebbe anche la posizione dell’enzima nel punto in cui è stato trovato il DNA. Questo è esattamente quello che è successo! Questi risultati hanno mostrato che il piruvato è importante per il corretto posizionamento dell’anello Z nel mezzo della cellula, e il piruvato lo fa in qualche modo lavorando con l’enzima che usa il piruvato per produrre energia. Questo ha senso, perché il piruvato e l’enzima lavorano insieme nella stessa via.

I nostri risultati hanno mostrato che il metabolismo e la divisione cellulare batterica comunicano tra loro attraverso il piruvato (e l’enzima che usa il piruvato per produrre energia) per garantire che l’anello Z si formi nel posto giusto. Nei batteri ben nutriti (che possono produrre correttamente il piruvato), l’enzima si trova nello stesso punto del DNA nella cellula. In questa posizione, l’enzima sembra aiutare la forma dell’anello Z nel mezzo della cellula, quindi la cellula si divide correttamente. Tuttavia, se le cellule non producono piruvato, l’enzima finisce nel posto sbagliato e così fa l’anello Z (verso le estremità della cellula). Quindi, quando il cibo non viene elaborato correttamente e il piruvato non viene prodotto, i batteri iniziano a commettere errori nel processo di divisione cellulare. Questo è simile a quello che si vede nelle persone con intolleranza al lattosio. Quando bevono latte, non possono elaborare correttamente il lattosio e quindi si ammalano. Quindi, la capacità di elaborare correttamente il cibo ed essere sani è davvero importante per tutti gli esseri viventi. Quando il cibo non viene elaborato nel modo in cui dovrebbe essere nei batteri, l’anello Z si forma in luoghi in cui non dovrebbe essere, il che rende le cellule si dividono nel modo sbagliato, riducendo il numero di possibilità di sopravvivenza della popolazione batterica. Questo errore nella divisione può essere risolto dando ai batteri il cibo corretto (aggiungendo il piruvato), dimostrando che il modo in cui i batteri usano il cibo nel loro ambiente è fondamentale per la loro capacità di crescere e dividersi.

Perché ci interessa il legame Metabolismo-divisione?

La domanda che abbiamo posto in questo studio è stata: in che modo i batteri percepiscono la disponibilità di cibo nell’ambiente e in che modo la presenza di cibo influenza il processo di divisione cellulare? Quando il cibo è facile da trovare, i batteri crescono e si dividono molto rapidamente, ma si dividono molto più lentamente quando il cibo è scarso. Non è noto come i batteri sappiano dividersi a ritmi diversi quando ci sono diversi livelli di cibo. Comprendendo di più su come i batteri possono percepire le fonti di cibo disponibili, specialmente durante l’infezione, e su come il rilevamento del cibo controlla la crescita batterica, possiamo impedire ai batteri di ottenere il giusto tipo di cibo o di essere in grado di elaborare correttamente il loro cibo, che può impedirgli di dividersi e impedire loro di causare infezioni. Questo perché i batteri non possono crescere correttamente se non ottengono il cibo giusto o se non elaborano correttamente il cibo. Questo è simile agli esseri umani-mangiamo buon cibo per rimanere in buona salute e non mangiare il cibo giusto può farci ammalare. Pertanto, la frase “siamo ciò che mangiamo” si applica ugualmente ai batteri e agli esseri umani. Da questo studio, abbiamo trovato un nuovo eccitante legame tra metabolismo batterico e divisione cellulare. Ma questi processi sono molto complessi e abbiamo appena scalfito la superficie per cercare di capire questo collegamento—quindi il prossimo passo sarà quello di risolvere questo mistero.

All’inizio di questo articolo, abbiamo parlato della questione della resistenza agli antibiotici. Che cosa ha a che fare il legame tra metabolismo e divisione cellulare con la resistenza agli antibiotici? Per affrontare il problema della resistenza agli antibiotici, abbiamo bisogno di sviluppare nuovi antibiotici che prendono di mira aspetti inesplorati della crescita e della sopravvivenza batterica. Molti degli antibiotici attualmente disponibili prendono di mira i processi che i batteri usano per produrre DNA, proteine o lo strato esterno della cellula batterica. Questi antibiotici hanno avuto molto successo, ma i batteri hanno sviluppato tattiche per continuare a fare questi processi, anche in presenza di antibiotici. In questo lavoro, abbiamo identificato un nuovo legame tra metabolismo e divisione cellulare nei batteri, che potrebbe servire come bersaglio per nuovi antibiotici. Se potessimo impedire ai batteri di produrre piruvato, o cambiare dove l’enzima che usa il piruvato si trova all’interno della cellula, sia il metabolismo che la divisione cellulare saranno interrotti e le cellule moriranno. Se si può fare un antibiotico che mira a due diversi processi che sono importanti per la sopravvivenza batterica (metabolismo e divisione cellulare), sarà più difficile per la cellula batterica diventare resistente a quell’antibiotico, poiché dovrà sviluppare tattiche per superare l’effetto dell’antibiotico su entrambi questi processi. Rendere la resistenza agli antibiotici molto più difficile per una cellula batterica da raggiungere, si spera, fornirà una nuova soluzione per combattere la resistenza agli antibiotici.

Glossario

Divisione cellulare batterica: il processo di una cellula batterica che si divide in due cellule.

DNA: Il codice all’interno di una cellula che trasporta tutte le informazioni necessarie per una cellula per sopravvivere.

Metabolismo: Tutti i processi chimici coinvolti nella conversione del cibo in energia sono chiamati insieme metabolismo.

Enzima: Un componente biologico che aiuta una reazione ad accadere rapidamente.

Glucosio: uno zucchero semplice.

Glicolisi: una via che rompe il glucosio in due molecole di piruvato.

Piruvato: Un composto chimico prodotto dopo che il glucosio è ripartito (metabolizzato).

Dichiarazione sul conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di rapporti commerciali o finanziari che potrebbero essere interpretati come un potenziale conflitto di interessi.

Riconoscimenti

RM è supportato da una borsa di studio del programma di formazione per la ricerca del governo australiano. AB e EH sono supportati da un australiano Research Council Discovery project grant DP150102062.

Fonte originale Articolo

Monahan, L. G., Hajduk, IV, Blaber, S. P., Charles, I. G., e Harry, E. J. 2014. Coordinare la divisione cellulare batterica con la disponibilità di nutrienti: un ruolo per la glicolisi. MBio 5 (3): 1-13. doi:10.1128 / mBio.00935-14