frontiere pentru mințile tinere

sunt toate bacteriile rele?

avem întotdeauna o mulțime de bacterii în jurul nostru, deoarece trăiesc aproape peste tot—în aer, sol, în diferite părți ale corpului nostru și chiar în unele dintre alimentele pe care le consumăm, cum ar fi iaurtul, brânza și murăturile. Dar nu vă faceți griji! Majoritatea bacteriilor sunt bune pentru noi. Unii trăiesc în sistemele noastre digestive și ne ajută să digerăm mâncarea, iar alții trăiesc în mediu și produc oxigen, astfel încât să putem respira și să trăim pe Pământ. Dar, din păcate, câteva dintre aceste creaturi minunate ne pot îmbolnăvi uneori. Acest lucru este atunci când avem nevoie pentru a vedea un medic, care poate prescrie medicamente pentru a controla infecția. Dar ce anume sunt aceste medicamente și cum se luptă cu bacteriile? Aceste medicamente sunt numite „antibiotice”, ceea ce înseamnă „împotriva vieții bacteriilor”.”După cum ne spune și numele lor, antibioticele fie ucid bacteriile, fie le împiedică să crească prin oprirea unui proces specific de a funcționa în interiorul celulei bacteriene. Când bacteriile încetează să crească, corpurile noastre pot elimina infecția și ne simțim mai bine.

dezvoltarea antibioticelor este unul dintre cele mai mari succese ale medicinei moderne. Antibioticele au salvat milioane de vieți de când medicii au început să le folosească în anii 1940. antibioticele au ajutat oamenii să aibă o viață mult mai bună, tratând cu succes aproape toate tipurile de infecții bacteriene. Dar, la fel ca noi, bacteriile sunt inteligente, de asemenea! Din anii 1940, bacteriile au dezvoltat tactici pentru a depăși efectele antibioticelor, iar astăzi vedem din ce în ce mai multe bacterii care nu mai pot fi ucise deloc de antibiotice. Acestea au devenit cunoscute sub numele de bacterii rezistente la antibiotice sau „superbuguri” și reprezintă o amenințare serioasă pentru sănătatea oamenilor din întreaga lume. Dacă nu avem antibiotice pentru a opri infecțiile bacteriene, chiar și ceva la fel de simplu ca o mică tăietură infectată pe deget ar putea deveni viața în pericol. Prin urmare, sunt necesare noi arme, sub formă de antibiotice noi, pentru a trata infecțiile cauzate de bacteriile rezistente la antibiotice. Pentru a găsi noi antibiotice, trebuie mai întâi să înțelegem pe deplin funcționarea interioară a celulei bacteriene. Laboratorul nostru se concentrează pe înțelegerea a ceva foarte important despre modul în care funcționează bacteriile—modul în care bacteriile devin două celule dintr-o celulă, numită și procesul de diviziune celulară bacteriană.

modul bacterian de a deveni doi de la unu

ca toate tipurile de organisme, toate bacteriile trebuie să crească și să se înmulțească pentru a supraviețui ca specie. Când sunt disponibile suficiente alimente, bacteriile se înmulțesc rapid prin dublarea dimensiunii și apoi împărțirea în jumătate, pentru a crea două celule noi . Acesta este procesul de „divizare” prezentat în figura 1a. bacteriile folosesc un fel de mașini în interiorul celulei pentru a face acest lucru, care este cunoscut sub numele de inel Z (inel verde în Figura 1). Inelul Z se formează Exact la mijlocul celulei și se înfășoară în jurul celulei. Când celula se divide, aceasta creează două celule noi care au aceeași dimensiune. În timpul diviziunii, totul din interiorul celulei trebuie copiat și împărțit în mod egal între cele două celule noi. Aceasta include ADN-ul bacterian (prezentat ca pete maronii în interiorul celulei în Figura 1), Care este ca un cod pentru bacterii care poartă toate informațiile necesare pentru ca o celulă să supraviețuiască. Dacă celulele noi nu primesc o copie completă a acestor informații, ele nu pot crește în mod corespunzător și nu vor supraviețui.

formarea inelului Z Exact la mijlocul celulei este esențială pentru a produce două celule sănătoase; altfel o celulă nu va conține ADN și va muri (figura 1b). Acest lucru are ca rezultat doar jumătate din noile celule bacteriene supraviețuitoare, ceea ce nu este atât de bun pentru creșterea bacteriilor. Aici vine o întrebare foarte interesantă-cum se asigură o celulă bacteriană că inelul Z se formează numai în mijlocul celulei și nu în altă parte a celulei? Locul în care se formează inelul Z este atât de important încât este sub controlul multor sisteme care lucrează împreună pentru a opri inelul Z să se formeze oriunde altundeva decât în mijlocul celulei.

pe lângă faptul că se asigură că inelul Z se formează la locul potrivit, o celulă trebuie, de asemenea, să simtă timpul corect pentru a forma inelul Z și pentru a se diviza. Acest lucru depinde foarte mult de mediul în care se află bacteriile. De exemplu, dacă este extrem de rece sau dacă nu există alimente în jur, bacteriile cresc foarte încet și nu trebuie să se împartă foarte des. Un moment bun pentru ca bacteriile să se împartă este atunci când sunt disponibile o mulțime de alimente preferate, cum ar fi zaharurile simple. În această situație, celulele bacteriene vor crește mai repede și vor începe să se împartă foarte repede, pentru a se asigura că se produc cât mai multe bacterii noi înainte ca alimentele să se epuizeze. Dar întrebarea este—cum simt bacteriile prezența alimentelor în mediul său și folosesc aceste informații pentru a accelera creșterea și diviziunea celulară? Aceasta este întrebarea la care am vrut să răspundem în studiul nostru.

studiul nostru-alimentele bacteriene nu sunt doar pentru energie, ci mai mult……

alimentele sunt descompuse în interiorul unei celule pentru a produce energie și blocuri de construcție pentru ca celula să crească, iar procesul care face acest lucru este cunoscut sub numele de metabolism. Deci, cu alte cuvinte, întrebarea pe care am pus-o în studiul nostru a fost: cum este legat metabolismul de diviziunea celulară în bacterii? În primul rând, trebuie să vă spunem puțin despre modul în care funcționează metabolismul. Enzimele sunt componente minuscule din interiorul celulelor care efectuează toate reacțiile chimice necesare pentru descompunerea alimentelor în timpul metabolismului. Glucoza, care este un zahăr simplu care provine din alimentele pe care bacteriile le consumă, este descompusă de enzime într-o serie de etape, care împreună sunt cunoscute sub numele de procesul de glicoliză (caseta portocalie din Figura 2a). Ultima etapă a glicolizei produce un compus numit piruvat care este utilizat pentru a genera energie și blocuri de construcție pentru ca celula să crească.

după cum v-am mai spus, o celulă bacteriană sănătoasă formează un inel Z în mijlocul celulei (figura 2b). În studiul nostru, am constatat că, dacă enzima care efectuează ultima etapă a glicolizei lipsește (ceea ce înseamnă că bacteriile nu își mai procesează corect alimentele), celula bacteriană începe să formeze inelul Z în alte locații decât mijlocul. După cum puteți vedea în figura 2c, celulele lipsite de enzima implicată în ultima etapă a glicolizei formează inele Z spre un capăt al celulei. Aceasta este o veste proastă, iar aceste celule se divid incorect, producând o celulă mare și o altă celulă foarte mică care nu conține ADN și astfel nu mai poate supraviețui. Acest rezultat ne-a arătat că această ultimă etapă a glicolizei este foarte importantă pentru poziționarea corectă a inelului Z în mijlocul celulei.

ne-am întrebat apoi dacă această schimbare în poziția inelului Z se întâmplă deoarece enzima implicată în ultima etapă a glicolizei lipsește sau deoarece compusul produs de această enzimă, piruvatul, lipsește? (a se vedea figura 2A). Am testat această posibilitate prin eliminarea enzimei, astfel încât celulele bacteriene să nu mai poată produce ele însele piruvat și apoi am adăugat piruvat ca parte a sursei de hrană a bacteriilor. În mod normal, celulele lipsite de enzima care creează piruvat formează inele Z spre capetele celulelor, dar când piruvatul a fost adăugat din nou, bacteriile au început să formeze inelele Z în mijlocul celulei, așa cum fac celulele bacteriene sănătoase. Aruncați o privire asupra diferitelor poziții ale inelelor Z în celulele lipsite de enzima implicată în ultima etapă a glicolizei și când piruvatul este adăugat înapoi la aceste celule, în figurile 2c,D. Acest rezultat a confirmat că nu enzima în sine este importantă pentru poziția inelului Z, ci produsul său—piruvat. Aceasta a fost prima dată când s-a arătat o legătură între o substanță chimică implicată în glicoliză și diviziunea celulară, astfel încât piruvatul a devenit apoi punctul central al experimentelor noastre ulterioare.

cum decide disponibilitatea alimentelor poziția inelului Z?

cu constatarea că piruvatul este important pentru formarea inelului Z în mijlocul celulei, am devenit și mai curioși să înțelegem cum comunică procesele metabolismului și diviziunii celulare. Știm că atunci când piruvatul este produs, acesta este folosit de o altă enzimă pentru a produce energie în celulă. Ne-am întrebat dacă această a doua enzimă a fost localizată într-un anumit loc în interiorul unei celule bacteriene, care ajută la formarea inelului Z în mijloc.

făcând atât ADN-ul, cât și enzima „să strălucească”, putem vedea unde se află în interiorul celulei folosind un microscop. La bacteriile sănătoase, am descoperit că enzima și ADN-ul erau localizate în același loc, unde ambele puteau fi văzute ca pete rotunde în interiorul celulei (Figura 3). În celulele care nu puteau produce piruvat, am descoperit că enzima nu mai era prezentă în același loc cu ADN-ul, în schimb enzima se deplasa spre cele două capete ale celulei. Acesta este același loc în care se formează inele Z în celulele care nu se împart corect. Știm deja că adăugarea piruvatului la aceste celule mută inelul Z înapoi la mijlocul celulei din nou, așa că ne-am întrebat dacă piruvatul ar schimba și locația enzimei înapoi în locul în care a fost găsit ADN-ul. Exact asta s-a întâmplat! Aceste rezultate au arătat că piruvatul este important pentru poziționarea corectă a inelului Z în mijlocul celulei, iar piruvatul face acest lucru cumva lucrând cu enzima care folosește piruvatul pentru a produce energie. Acest lucru are sens, deoarece piruvatul și enzima lucrează împreună în aceeași cale.

rezultatele noastre au arătat că metabolismul și diviziunea celulară bacteriană comunică între ele prin piruvat (și enzima care folosește piruvatul pentru a produce energie) pentru a asigura formele inelului Z la locul potrivit. În bacteriile bine hrănite (care pot produce în mod corespunzător piruvat), enzima este localizată în același loc cu ADN-ul din celulă. În această locație, enzima pare să ajute inelul Z să se formeze în mijlocul celulei, astfel încât celula se împarte corect. Cu toate acestea, dacă celulele nu produc piruvat, enzima ajunge în locul greșit și la fel și inelul Z (spre capetele celulei). Deci, atunci când alimentele nu sunt procesate corect și piruvatul nu este produs, bacteriile încep să facă greșeli în procesul de diviziune celulară. Acest lucru este similar cu ceea ce se observă la persoanele cu intoleranță la lactoză. Când beau lapte, nu pot procesa lactoza în mod corespunzător și, prin urmare, se îmbolnăvesc. Deci, capacitatea de a procesa corect alimentele și de a fi sănătos este cu adevărat importantă pentru toate lucrurile vii. Atunci când alimentele nu sunt procesate așa cum ar trebui să fie în bacterii, inelul Z se formează în locații în care nu ar trebui să fie, ceea ce face ca celulele să se împartă în mod greșit, reducând numărul de bacterii șanse ca populația bacteriană să supraviețuiască. Această greșeală în divizare poate fi remediată oferind bacteriilor hrana corectă (adăugând piruvat înapoi), arătând că modul în care bacteriile folosesc alimentele în mediul lor este esențial pentru capacitatea lor de a crește și de a se diviza.

de ce ne pasă de legătura Metabolism–diviziune?

întrebarea pe care am pus-o în acest studiu a fost: cum simt bacteriile disponibilitatea alimentelor în mediu și cum afectează prezența alimentelor procesul de diviziune celulară? Când alimentele sunt ușor de găsit, bacteriile cresc și se împart foarte repede, dar se împart mult mai încet atunci când alimentele sunt rare. Nu se cunoaște modul în care bacteriile știu să se împartă la rate diferite atunci când există niveluri diferite de alimente. Înțelegând mai multe despre modul în care bacteriile pot simți sursele de hrană disponibile, în special în timpul infecției, și modul în care detectarea alimentelor controlează creșterea bacteriană, putem opri bacteriile să obțină tipul potrivit de hrană sau să-și poată procesa corect alimentele, ceea ce le poate împiedica să se împartă și să le împiedice să provoace infecții. Acest lucru se datorează faptului că bacteriile nu pot crește corect dacă nu primesc mâncarea potrivită sau dacă nu procesează corect alimentele. Acest lucru este similar cu oamenii—mâncăm mâncare bună pentru a rămâne sănătoși și a nu mânca mâncarea potrivită ne poate îmbolnăvi. Prin urmare, expresia „suntem ceea ce mâncăm” se aplică în mod egal bacteriilor și oamenilor. Din acest studiu, am găsit o nouă legătură interesantă între metabolismul bacterian și diviziunea celulară. Dar aceste procese sunt foarte complexe și tocmai am zgâriat suprafața pentru a încerca să înțelegem această legătură—deci următorul pas va fi rezolvarea acestui mister.

la începutul acestui articol, am vorbit despre problema rezistenței la antibiotice. Ce legătură are legătura dintre metabolism și diviziunea celulară cu rezistența la antibiotice? Pentru a aborda problema rezistenței la antibiotice, trebuie să dezvoltăm noi antibiotice care vizează aspecte neexplorate ale creșterii și supraviețuirii bacteriene. Multe dintre antibioticele disponibile în prezent vizează procesele pe care bacteriile le folosesc pentru a produce fie ADN, proteine, fie stratul exterior al celulei bacteriene. Aceste antibiotice au avut un mare succes, dar bacteriile au dezvoltat tactici pentru a continua să facă aceste procese, chiar și în prezența antibioticelor. În această lucrare, am identificat o nouă legătură între metabolism și diviziunea celulară în bacterii, care ar putea servi drept țintă pentru noi antibiotice. Dacă am putea opri bacteriile să producă piruvat sau să schimbăm locul în care enzima care folosește piruvatul se află în interiorul celulei, atât metabolismul, cât și diviziunea celulară vor fi perturbate și celulele vor muri. Dacă se poate face un antibiotic care vizează două procese diferite care sunt importante pentru supraviețuirea bacteriană (metabolismul și diviziunea celulară), va fi mai dificil pentru celula bacteriană să devină rezistentă la acel antibiotic, deoarece va trebui să dezvolte tactici pentru a depăși efectul antibioticului asupra ambelor procese. A face rezistența la antibiotice mult mai dificilă pentru o celulă bacteriană va oferi, sperăm, o nouă soluție pentru combaterea rezistenței la antibiotice.

Glosar

diviziunea celulară bacteriană: procesul de divizare a unei celule bacteriene în două celule.

ADN: codul dintr-o celulă care poartă toate informațiile necesare pentru ca o celulă să supraviețuiască.

Metabolism: toate procesele chimice implicate în transformarea alimentelor în energie sunt numite împreună metabolism.

enzimă: o componentă biologică care ajută o reacție să se întâmple rapid.

glucoză: un zahăr simplu.

glicoliza: o cale care sparge glucoza în două molecule de piruvat.

Piruvat: un compus chimic produs după descompunerea (metabolizarea) glucozei.

Declarație privind conflictul de interese

autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

mulțumiri

RM este susținută de o bursă a programului de formare în cercetare a Guvernului Australian. AB și EH sunt susținute de un grant Australian Research Council Discovery project dp150102062.

articol sursă originală

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G. și Harry, E. J. 2014. Coordonarea diviziunii celulare bacteriene cu disponibilitatea nutrienților: un rol pentru glicoliză. MBio 5 (3): 1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14