Frontiers for Young Minds

czy wszystkie bakterie są złe?

zawsze mamy wokół siebie mnóstwo bakterii, ponieważ żyją one niemal wszędzie – w powietrzu, glebie, w różnych częściach ciała, a nawet w niektórych pokarmach, które spożywamy, takich jak jogurt, ser i ogórki kiszone. Ale nie martw się! Większość bakterii jest dla nas dobra. Niektóre żyją w naszych układach trawiennych i pomagają nam trawić nasze jedzenie, a niektóre żyją w środowisku i produkują tlen, abyśmy mogli oddychać i żyć na Ziemi. Ale niestety, kilka z tych wspaniałych stworzeń może nas czasem rozchorować. To jest, gdy musimy zobaczyć się z lekarzem, który może przepisać leki do kontroli infekcji. Ale czym dokładnie są te leki i jak walczą z bakteriami? Leki te nazywane są „antybiotykami”, co oznacza ” przeciw życiu bakterii.”Jak mówi nam ich nazwa, antybiotyki albo zabijają bakterie, albo powstrzymują je od wzrostu, zatrzymując określony proces z pracy wewnątrz komórki bakteryjnej. Kiedy bakterie przestają rosnąć, nasze ciała mogą oczyścić infekcję i czujemy się lepiej.

rozwój antybiotyków jest jednym z największych sukcesów współczesnej medycyny. Antybiotyki uratowały miliony istnień ludzkich, ponieważ lekarze zaczęli używać ich w 1940 roku. antybiotyki pomogły ludziom mieć znacznie lepsze życie poprzez skuteczne leczenie prawie wszystkich rodzajów infekcji bakteryjnych. Ale tak jak my, bakterie też są mądre! Od lat czterdziestych XX wieku bakterie opracowywały taktyki, aby przezwyciężyć skutki antybiotyków, a dziś widzimy coraz więcej bakterii, których nie można już zabić przez antybiotyki. Stały się one znane jako bakterie odporne na antybiotyki lub „superbugs” i stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi na całym świecie. Jeśli nie mamy antybiotyków, aby powstrzymać infekcje bakteryjne, nawet coś tak prostego jak małe zainfekowane cięcie na palcu może stać się zagrożeniem życia. W związku z tym potrzebna jest nowa broń w postaci nowych antybiotyków, aby leczyć infekcje wywołane przez bakterie oporne na antybiotyki. Aby znaleźć nowe antybiotyki, najpierw musimy w pełni zrozumieć wewnętrzne funkcjonowanie komórki bakteryjnej. Nasze laboratorium koncentruje się na zrozumieniu czegoś bardzo ważnego o tym, jak działają bakterie—sposób, w jaki bakterie stają się dwiema komórkami z jednej komórki, zwany także procesem podziału komórek bakteryjnych.

bakteryjny sposób, aby stać się dwoma z jednego

jak wszystkie rodzaje organizmów, wszystkie bakterie muszą rosnąć i rozmnażać się, aby przetrwać jako gatunek. Gdy dostępna jest wystarczająca ilość pokarmu, bakterie szybko namnażają się, podwajając rozmiar, a następnie dzieląc się na pół, tworząc dwie nowe komórki . Jest to proces „podziału” pokazany na fig. 1a.bakterie używają do tego rodzaju maszyny wewnątrz komórki, która jest znana jako pierścień z (zielony pierścień na fig. 1). Pierścień Z tworzy się dokładnie na środku komórki i owija się wokół komórki. Kiedy komórka się dzieli, tworzy się dwie nowe komórki o tym samym rozmiarze. Podczas podziału wszystko wewnątrz komórki musi być kopiowane i równo dzielone między dwie nowe komórki. Obejmuje to DNA bakterii (pokazane jako brązowe plamy wewnątrz komórki na fig. 1), które jest jak kod bakterii, który przenosi wszystkie informacje potrzebne do przetrwania komórki. Jeśli nowe komórki nie otrzymają pełnej kopii tych informacji, nie mogą prawidłowo rosnąć i nie przetrwają.

tworzenie pierścienia Z dokładnie w środku komórki jest niezbędne do wytworzenia dwóch zdrowych komórek; w przeciwnym razie jedna komórka nie będzie zawierać DNA i umrze (Fig. 1B). Powoduje to, że tylko połowa nowych komórek bakteryjnych przeżyje, co nie jest tak dobre dla wzrostu bakterii. Oto bardzo interesujące pytanie-w jaki sposób komórka bakteryjna upewnia się, że pierścień Z tworzy się tylko w środku komórki, a nie gdziekolwiek indziej w komórce? Miejsce, w którym tworzy się Pierścień Z jest tak ważne, że jest pod kontrolą wielu systemów, które współpracują ze sobą, aby powstrzymać pierścień Z przed formowaniem się w dowolnym miejscu innym niż środek komórki.

oprócz upewnienia się, że pierścień Z tworzy się we właściwym miejscu, komórka musi również wyczuć właściwy czas, aby utworzyć pierścień Z i podzielić. Zależy to w dużym stopniu od środowiska, w którym znajdują się bakterie. Na przykład, jeśli jest bardzo zimno lub jeśli nie ma jedzenia wokół, bakterie rosną bardzo powoli i nie muszą się bardzo często dzielić. Dobry czas na podział bakterii jest wtedy, gdy dostępnych jest wiele ich ulubionych potraw, takich jak cukry proste. W tej sytuacji komórki bakteryjne będą rosły szybciej i zaczną bardzo szybko się dzielić, aby upewnić się, że jak najwięcej nowych bakterii zostanie wyprodukowanych, zanim skończy się żywność. Ale pytanie brzmi: jak bakterie wyczuwają obecność pokarmu w swoim środowisku i wykorzystują te informacje do przyspieszenia wzrostu i podziału komórek? Na to pytanie chcieliśmy odpowiedzieć w naszym badaniu.

nasze badania—żywność bakteryjna to nie tylko energia, to więcej……

żywność jest rozkładana wewnątrz komórki, aby wytwarzać energię i budulec dla wzrostu komórki, a proces, który to robi, jest znany jako metabolizm. Innymi słowy, pytanie, które zadaliśmy w naszych badaniach brzmiało: w jaki sposób metabolizm ma związek z podziałem komórek bakterii? Po pierwsze, musimy powiedzieć trochę o tym, jak metabolizm działa. Enzymy są maleńkimi składnikami wewnątrz komórek, które przeprowadzają wszystkie reakcje chemiczne wymagane do rozkładania pokarmu podczas metabolizmu. Glukoza, która jest cukrem prostym, pochodzącym z pożywienia, które zjadają bakterie, jest rozkładana przez enzymy w kilku etapach, które razem są znane jako proces glikolizy (pomarańczowe pudełko na fig.2A). W ostatnim etapie glikolizy powstaje związek zwany pirogronianem, który jest wykorzystywany do wytwarzania energii i budulca dla wzrostu komórki.

jak powiedzieliśmy wcześniej, zdrowa komórka bakteryjna tworzy pierścień Z pośrodku komórki(ryc. 2b). W naszych badaniach odkryliśmy, że jeśli brakuje enzymu, który wykonuje ostatni etap glikolizy (co oznacza, że bakterie nie przetwarzają już prawidłowo pożywienia), komórka bakteryjna zaczyna tworzyć pierścień Z w miejscach innych niż środek. Jak widać na fig. 2C, komórki pozbawione enzymu biorącego udział w ostatnim etapie glikolizy tworzą pierścienie Z w kierunku jednego końca komórki. To zła wiadomość, komórki te dzielą się nieprawidłowo, produkując jedną dużą i drugą bardzo małą komórkę, która nie zawiera żadnego DNA, a więc nie może dłużej przetrwać. Ten wynik pokazał nam, że ten ostatni etap glikolizy jest bardzo ważny dla prawidłowego pozycjonowania pierścienia Z na środku komórki.

zastanawialiśmy się wtedy, czy ta zmiana położenia pierścienia Z zachodzi z powodu braku enzymu biorącego udział w ostatnim etapie glikolizy, czy z powodu braku związku wytwarzanego przez ten enzym, pirogronianu? (patrz rysunek 2A). Zbadaliśmy tę możliwość, usuwając enzym, aby komórki bakterii nie mogły już same wytwarzać pirogronianu, a następnie dodaliśmy pirogronian jako część źródła pożywienia bakterii. Zwykle komórki pozbawione enzymu, który tworzy pirogronian tworzą pierścienie Z w kierunku końców komórek, ale kiedy pirogronian został dodany ponownie, bakterie zaczęły tworzyć pierścienie Z w środku komórki, tak jak robią to zdrowe komórki bakteryjne. Spójrz na różne pozycje pierścieni Z w komórkach pozbawionych enzymu biorącego udział w ostatnim etapie glikolizy i kiedy pirogronian jest dodawany z powrotem do tych komórek, na fig. 2C, D. wynik ten potwierdził, że nie sam enzym jest ważny dla pozycji pierścienia Z, ale jego produkt—pirogronian. Po raz pierwszy wykazano związek między substancją chemiczną biorącą udział w glikolizie a podziałem komórek, w związku z czym pirogronian stał się przedmiotem naszych dalszych eksperymentów.

W Jaki Sposób dostępność pokarmu decyduje o pozycji pierścienia Z?

wraz z odkryciem, że pirogronian jest ważny dla tworzenia pierścienia Z w środku komórki, staliśmy się jeszcze bardziej ciekawi, jak komunikują się procesy metabolizmu i podziału komórek. Wiemy, że kiedy pirogronian jest wytwarzany, zostaje on wykorzystany przez inny enzym do produkcji energii w komórce. Zastanawialiśmy się, czy ten drugi enzym znajduje się w określonym miejscu wewnątrz komórki bakteryjnej, co pomaga utworzyć pierścień Z w środku.

sprawiając, że zarówno DNA, jak i enzym „świecą”, możemy zobaczyć, gdzie znajdują się wewnątrz komórki za pomocą mikroskopu. U zdrowych bakterii odkryliśmy, że enzym i DNA znajdują się w tym samym miejscu, gdzie oba mogą być postrzegane jako okrągłe plamy wewnątrz komórki (ryc. 3). W komórkach, które nie mogły wytwarzać pirogronianu, odkryliśmy, że enzym nie był już obecny w tym samym miejscu co DNA, zamiast tego enzym poruszał się w kierunku dwóch końców komórki. To jest to samo miejsce, w którym pierścienie Z tworzą się w komórkach, które nie dzielą się prawidłowo. Wiemy już, że dodanie pirogronianu do tych komórek przenosi Pierścień Z Z powrotem do środka komórki, więc zastanawialiśmy się, czy pirogronian zmieni również lokalizację enzymu z powrotem do miejsca znalezienia DNA. To jest dokładnie to, co się stało! Wyniki te wykazały, że pirogronian jest ważny dla prawidłowego pozycjonowania pierścienia Z w środku komórki, a pirogronian robi to w jakiś sposób, pracując z enzymem, który wykorzystuje pirogronian do wytwarzania energii. Ma to sens, ponieważ pirogronian i enzym działają razem w tym samym szlaku.

nasze wyniki wykazały, że metabolizm i podział komórek bakteryjnych komunikują się ze sobą poprzez pirogronian (i enzym, który wykorzystuje pirogronian do produkcji energii), aby zapewnić formowanie pierścienia Z we właściwym miejscu. W dobrze karmionych bakteriach (które mogą prawidłowo wytwarzać pirogronian) enzym znajduje się w tym samym miejscu, co DNA w komórce. W tym miejscu enzym wydaje się pomagać w tworzeniu pierścienia Z w środku komórki, więc komórka dzieli się prawidłowo. Jeśli jednak komórki nie wytwarzają pirogronianu, enzym kończy się w niewłaściwym miejscu, podobnie jak pierścień Z (w kierunku końców komórki). Tak więc, gdy żywność nie jest przetwarzana prawidłowo i pirogronian nie jest wytwarzany, bakterie zaczynają popełniać błędy w procesie podziału komórek. Jest to podobne do tego, co obserwuje się u osób z nietolerancją laktozy. Kiedy piją mleko, nie mogą prawidłowo przetwarzać laktozy i dlatego chorują. Tak więc zdolność do prawidłowego przetwarzania żywności i bycia zdrowym jest naprawdę ważna dla wszystkich żywych istot. Gdy żywność nie jest przetwarzana w sposób, w jaki powinna być w bakteriach, Pierścień Z jest tworzony w miejscach, w których nie powinien być, co sprawia, że komórki dzielą się w niewłaściwy sposób, zmniejszając liczbę bakterii szansa na przetrwanie populacji bakterii. Ten błąd w podziale można naprawić, podając bakteriom właściwy pokarm (dodając z powrotem pirogronian), pokazując, że sposób, w jaki bakterie wykorzystują pokarm w swoim środowisku, ma kluczowe znaczenie dla ich zdolności do wzrostu i podziału.

dlaczego dbamy o link podział metabolizmu?

pytanie, które zadaliśmy w tym badaniu brzmiało: jak bakterie wyczuwają dostępność pokarmu w środowisku i jak obecność pokarmu wpływa na proces podziału komórek? Kiedy łatwo jest znaleźć pokarm, bakterie rosną i dzielą się bardzo szybko, ale dzielą się znacznie wolniej, gdy brakuje pokarmu. Nie wiadomo, w jaki sposób bakterie potrafią dzielić się w różnym tempie, gdy w pobliżu znajdują się różne poziomy pokarmu. Rozumiejąc więcej o tym, jak bakterie mogą wyczuwać dostępne źródła pożywienia, zwłaszcza podczas infekcji, i jak wykrywanie żywności kontroluje wzrost bakterii, możemy powstrzymać bakterie przed otrzymaniem odpowiedniego rodzaju pożywienia lub przed prawidłowym przetwarzaniem ich żywności, co może powstrzymać je przed podziałem i zapobiec wywołaniu infekcji. Dzieje się tak dlatego, że bakterie nie mogą prawidłowo rosnąć, jeśli nie otrzymają odpowiedniego pokarmu lub jeśli nie przetwarzają prawidłowo pokarmu. Jest to podobne do ludzi-jemy dobre jedzenie, aby zachować zdrowie, a nie jedzenie odpowiedniego jedzenia może spowodować, że zachorujemy. Dlatego zwrot „Jesteśmy tym, co jemy” odnosi się w równym stopniu do bakterii i ludzi. Na podstawie tego badania odkryliśmy ekscytujący nowy związek między metabolizmem bakterii a podziałem komórek. Ale te procesy są bardzo złożone i dopiero co zarysowaliśmy powierzchnię, aby spróbować zrozumieć ten związek – więc następnym krokiem będzie rozwiązanie tej tajemnicy.

na początku tego artykułu rozmawialiśmy o kwestii oporności na antybiotyki. Co związek między metabolizmem a podziałem komórek ma wspólnego z opornością na antybiotyki? Aby rozwiązać problem oporności na antybiotyki, musimy opracować nowe antybiotyki, które będą ukierunkowane na niezbadane aspekty wzrostu i przeżycia bakterii. Wiele z obecnie dostępnych antybiotyków ukierunkowanych na procesy, których bakterie używają do wytwarzania DNA, białek lub zewnętrznej warstwy komórki bakteryjnej. Antybiotyki te były bardzo skuteczne, ale bakterie opracowały taktykę kontynuowania tych procesów, nawet w obecności antybiotyków. W tej pracy zidentyfikowaliśmy nowy związek między metabolizmem a podziałem komórek bakterii, który może służyć jako cel dla nowych antybiotyków. Gdybyśmy mogli powstrzymać bakterie przed wytwarzaniem pirogronianu lub zmienić miejsce, w którym enzym wykorzystujący pirogronian znajduje się w komórce, zarówno metabolizm, jak i podział komórek zostaną zakłócone, a komórki umrą. Jeśli antybiotyk może być wykonane, że cele dwa różne procesy, które są ważne dla przetrwania bakterii (metabolizm i podział komórek), to będzie trudniejsze dla komórki bakteryjnej, aby stać się odporny na ten antybiotyk, ponieważ będzie musiał opracować taktykę, aby przezwyciężyć wpływ antybiotyku na obu tych procesów. Zwiększenie oporności na antybiotyki znacznie trudniejsze dla komórki bakteryjnej do osiągnięcia, miejmy nadzieję, dostarczy nowego rozwiązania do zwalczania oporności na antybiotyki.

Słowniczek

podział komórek bakteryjnych: proces podziału jednej komórki bakteryjnej na dwie komórki.

DNA: kod wewnątrz komórki, który przenosi wszystkie informacje potrzebne do przetrwania komórki.

metabolizm: wszystkie procesy chemiczne zaangażowane w przekształcanie żywności w energię są razem nazywane metabolizmem.

enzym: składnik biologiczny, który pomaga w szybkiej reakcji.

glukoza: cukier prosty.

glikoliza: szlak, który rozkłada glukozę na dwie cząsteczki pirogronianu.

pirogronian: związek chemiczny wytwarzany po podziale glukozy (metabolizmie).

Oświadczenie o konflikcie interesów

autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

podziękowania

RM jest wspierany przez stypendium programu badawczego rządu Australii. AB i EH są wspierane przez Australian Research Council Discovery project grant DP150102062.

oryginalny artykuł źródłowy

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G., and Harry, E. J. 2014. Koordynowanie podziału komórek bakteryjnych z dostępnością składników odżywczych: rola glikolizy. MBio 5(3): 1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14