gränser för unga sinnen

är alla bakterier dåliga?

vi har alltid massor av bakterier runt oss, eftersom de lever nästan överallt—i luft, jord, i olika delar av våra kroppar och till och med i några av de livsmedel vi äter, som yoghurt, ost och pickles. Men oroa dig inte! De flesta bakterier är bra för oss. Vissa lever i våra matsmältningssystem och hjälper oss att smälta maten, och andra lever i miljön och producerar syre så att vi kan andas och leva på jorden. Men tyvärr kan några av dessa underbara varelser ibland göra oss sjuka. Det är när vi behöver se en läkare, som kan ordinera läkemedel för att kontrollera infektionen. Men vad exakt är dessa läkemedel och hur kämpar de med bakterier? Dessa läkemedel kallas ”antibiotika”, vilket betyder ” mot bakteriens liv.”Som deras namn berättar, dödar antibiotika antingen bakterier eller hindrar dem från att växa genom att stoppa en specifik process från att arbeta inuti bakteriecellen. När bakterierna slutar växa kan våra kroppar sedan rensa infektionen och vi mår bättre.

utvecklingen av antibiotika är en av de största framgångarna med modern medicin. Antibiotika har räddat miljontals liv sedan läkare började använda dem på 1940-talet. antibiotika har hjälpt människor att få mycket bättre liv genom att framgångsrikt behandla nästan alla typer av bakterieinfektioner. Men som vi är bakterier också smarta! Sedan 1940-talet har bakterier utvecklat taktik för att övervinna effekterna av antibiotika, och idag ser vi fler och fler bakterier som inte längre kan dödas av antibiotika alls. Dessa har blivit kända som antibiotikaresistenta bakterier eller” superbugs”, och de utgör ett allvarligt hot mot människors hälsa över hela världen. Om vi inte har antibiotika för att stoppa bakterieinfektioner kan till och med något så enkelt som ett litet infekterat snitt på fingret bli livshotande. Därför behövs nya vapen, i form av nya antibiotika, för att behandla infektioner orsakade av antibiotikaresistenta bakterier. För att hitta nya antibiotika måste vi först förstå bakteriecellens inre funktion. Vårt labb fokuserar på att förstå något mycket viktigt om hur bakterier fungerar – hur bakterier blir två celler från en cell, även kallad processen för bakteriell celldelning.

det bakteriella sättet att bli två från en

liksom alla slags organismer måste alla bakterier växa och föröka sig för att överleva som en art. När det finns tillräckligt med mat, multiplicerar bakterierna snabbt genom att fördubbla i storlek och sedan dela i hälften för att skapa två nya celler . Detta är processen med ”division” som visas i Figur 1a. bakterier använder en typ av maskiner inuti cellen för att göra detta, vilket är känt som en Z-ring (grön ring i Figur 1). Z-ringen bildas exakt i mitten av cellen och lindas runt cellen. När cellen delar sig skapar detta två nya celler som har samma storlek. Under uppdelningen måste allt inuti cellen kopieras och delas lika mellan de två nya cellerna. Detta inkluderar bakteriellt DNA (visas som bruna blobbar inuti cellen i Figur 1), vilket är som en kod för bakterier som bär all information som behövs för att en cell ska överleva. Om nya celler inte får en fullständig kopia av denna information kan de inte växa ordentligt och kommer inte att överleva.

bildandet av Z-ringen vid exakt mitten av cellen är avgörande för att producera två friska celler; annars kommer en cell inte att innehålla DNA och kommer att dö (Figur 1b). Detta resulterar i att endast hälften av de nya bakteriecellerna överlever, vilket inte är så bra för bakterietillväxt. Här kommer en mycket intressant fråga – Hur ser en bakteriecell till att Z-ringen bara bildas i mitten av cellen och inte någon annanstans i cellen? Platsen där Z-ringen bildas är så viktig att den är under kontroll av många system som arbetar tillsammans för att stoppa Z-ringen från att bildas någon annanstans än mitten av cellen.

förutom att se till att Z-ringen bildas på rätt plats måste en cell också känna av rätt tid för att bilda Z-ringen och dela upp. Detta beror mycket på miljön som bakterierna befinner sig i. Till exempel, om det är extremt kallt eller om det inte finns mat runt, växer bakterier mycket långsamt och behöver inte delas Mycket ofta. En bra tid för bakterier att dela är när massor av deras favoritmat, som enkla sockerarter, finns tillgängliga. I denna situation kommer bakteriecellerna att växa snabbare och börjar dela sig mycket snabbt för att se till att så många nya bakterier som möjligt produceras innan maten tar slut. Men frågan är-hur känner bakterierna närvaron av mat i sin miljö och använder denna information för att påskynda tillväxt och celldelning? Det här är frågan vi ville svara på i vår studie.

vår studie-bakteriell mat är inte bara för energi, det gör mer……

mat bryts ner i en cell för att göra energi och byggstenar för cellen att växa, och processen som gör detta kallas metabolism. Så med andra ord var frågan som vi ställde i vår studie: hur är metabolism kopplad till celldelning i bakterier? Först måste vi berätta lite om hur ämnesomsättningen fungerar. Enzymer är små komponenter inuti celler som utför alla kemiska reaktioner som krävs för att bryta ner mat under ämnesomsättningen. Glukos, som är ett enkelt socker som kommer från maten som bakterier äter, bryts ner av enzymer i ett antal steg, som tillsammans kallas glykolysprocessen (orange låda i Figur 2a). Det sista steget av glykolys producerar en förening som kallas pyruvat som används för att generera energi och byggstenar för cellen att växa.

som vi sa tidigare bildar en frisk bakteriecell en Z-ring i mitten av cellen (Figur 2B). I vår studie har vi funnit att om enzymet som utför det sista steget av glykolys saknas (vilket betyder att bakterier inte längre bearbetar maten korrekt) börjar bakteriecellen bilda Z-ringen på andra platser än mitten. Som du kan se i Figur 2C bildar celler som saknar enzymet involverat i det sista steget av glykolys Z-ringar mot ena änden av cellen. Det här är dåliga nyheter, och dessa celler delar sig felaktigt och producerar en stor cell och en annan mycket liten cell som inte innehåller något DNA, och kan därför inte längre överleva. Detta resultat visade oss att detta sista steg av glykolys är mycket viktigt för korrekt positionering av Z-ringen i mitten av cellen.

vi undrade då om denna förändring i Z-ringens position händer eftersom enzymet som är involverat i det sista steget av glykolys saknas, eller eftersom föreningen som produceras av detta enzym, pyruvat, saknas? (se figur 2A). Vi testade denna möjlighet genom att ta bort enzymet, så att bakterieceller inte längre kunde producera pyruvat själva, och sedan tillsatte vi pyruvat som en del av bakteriens matkälla. Normalt bildar celler som saknar enzymet som skapar pyruvat Z-ringar mot cellens ändar, men när pyruvat tillsattes igen började bakterierna bilda Z-ringarna i mitten av cellen, som friska bakterieceller gör. Ta en titt på de olika positionerna för Z—ringar i celler som saknar enzymet involverat i det sista steget av glykolys och när pyruvat läggs tillbaka till dessa celler, i figurerna 2C,D. Detta resultat bekräftade att det inte är själva enzymet som är viktigt för Z-ringens position, utan dess produkt-pyruvat. Detta var första gången som en koppling mellan en kemikalie involverad i glykolys och celldelning visades, och så blev pyruvat sedan fokus för våra ytterligare experiment.

hur bestämmer tillgången på mat Z-Ringpositionen?

med upptäckten att pyruvat är viktigt för Z-ringbildning i mitten av cellen blev vi ännu mer nyfikna på att förstå hur processerna för metabolism och celldelning kommunicerar. Vi vet att när pyruvat produceras används det sedan av ett annat enzym för att producera energi i cellen. Vi undrade om detta andra enzym var beläget på en viss plats i en bakteriecell, vilket hjälper Z-ringen att bildas i mitten.

genom att göra både DNA och enzym ”glöd” kan vi se var de finns inuti cellen med hjälp av ett mikroskop. I friska bakterier fann vi att enzymet och DNA var belägna på samma plats, där de båda kunde ses som runda blobbar inuti cellen (Figur 3). I celler som inte kunde producera pyruvat fann vi att enzymet inte längre var närvarande på samma plats som DNA, istället flyttade enzymet mot cellens två ändar. Detta är samma plats där Z-ringar bildas i cellerna som inte delar sig ordentligt. Vi vet redan att tillsats av pyruvat till dessa celler förskjuter Z-ringen tillbaka till mitten av cellen igen, så vi undrade om pyruvat också skulle ändra placeringen av enzym tillbaka till där DNA hittades. Det här är precis vad som hände! Dessa resultat visade att pyruvat är viktigt för korrekt positionering av Z-ringen i mitten av cellen, och pyruvat gör detta på något sätt genom att arbeta med enzymet som använder pyruvat för att göra energi. Detta är vettigt, eftersom pyruvat och enzymet arbetar tillsammans i samma väg.

våra resultat visade att metabolism och bakteriecelldelning kommunicerar med varandra genom pyruvat (och enzymet som använder pyruvat för att producera energi) för att säkerställa att Z-ringen bildas på rätt plats. I välmatade bakterier (som korrekt kan göra pyruvat) ligger enzymet på samma plats som DNA i cellen. På denna plats verkar enzymet hjälpa Z-ringen att bildas i mitten av cellen, så cellen delar sig korrekt. Men om celler inte gör pyruvat hamnar enzymet på fel plats och det gör Z-ringen (mot cellens ändar). Så när mat inte bearbetas korrekt och pyruvat inte produceras börjar bakterier göra misstag i celldelningsprocessen. Detta liknar vad som ses hos personer med laktosintolerans. När de dricker mjölk kan de inte bearbeta laktos ordentligt och blir därför sjuka. Så förmågan att korrekt bearbeta mat och vara hälsosam är verkligen viktigt för alla levande saker. När mat inte bearbetas som det borde vara i bakterier bildas Z-ringen på platser där den inte borde vara, vilket gör att cellerna delar sig på fel sätt, vilket minskar antalet bakterier chans att bakteriepopulationen överlever. Detta misstag i division kan åtgärdas genom att ge bakterier rätt mat (lägga tillbaka pyruvat), vilket visar att hur bakterier använder maten i sin miljö är avgörande för deras förmåga att växa och dela.

Varför bryr vi oss om länken Metabolism-Division?

frågan vi ställde i denna studie var: hur känner bakterier mattillgänglighet i miljön och hur påverkar närvaron av mat processen för celldelning? När mat är lätt att hitta växer bakterier och delar sig mycket snabbt, men de delar sig mycket långsammare när maten är knapp. Hur bakterier vet att dela i olika takt när olika nivåer av mat är runt är inte känt. Genom att förstå mer om hur bakterier kan känna av tillgängliga matkällor, särskilt under infektion, och hur avkänning av mat kontrollerar bakterietillväxt, kan vi stoppa bakterier från att få rätt typ av mat eller från att kunna bearbeta maten ordentligt, vilket kan stoppa dem från att dela och förhindra dem från att orsaka infektioner. Detta beror på att bakterier inte kan växa ordentligt om de inte får rätt mat eller om de inte bearbetar mat korrekt. Detta liknar människor – vi äter god mat för att hålla oss friska och att inte äta rätt mat kan göra oss sjuka. Därför gäller frasen” Vi är vad vi äter ” lika för bakterier och människor. Från denna studie har vi hittat en spännande ny koppling mellan bakteriell metabolism och celldelning. Men dessa processer är väldigt komplexa och vi har bara skrapat på ytan för att försöka förstå den här länken—så nästa steg blir att lösa detta mysterium.

i början av denna artikel pratade vi om frågan om antibiotikaresistens. Vad har kopplingen mellan metabolism och celldelning att göra med antibiotikaresistens? För att ta itu med frågan om antibiotikaresistens måste vi utveckla nya antibiotika som riktar sig mot outforskade aspekter av bakterietillväxt och överlevnad. Många av de för närvarande tillgängliga antibiotika mål processer som bakterier använder för att göra antingen DNA, proteiner eller det yttre skiktet av bakteriecellen. Dessa antibiotika har varit mycket framgångsrika, men bakterier har utvecklat taktik för att fortsätta göra dessa processer, även i närvaro av antibiotika. I detta arbete identifierade vi en ny koppling mellan metabolism och celldelning i bakterier, som kan fungera som ett mål för nya antibiotika. Om vi kunde stoppa bakterier från att göra pyruvat, eller ändra var enzymet som använder pyruvat ligger i cellen, kommer både metabolism och celldelning att störas och celler kommer att dö. Om ett antibiotikum kan göras som riktar sig mot två olika processer som är viktiga för bakteriell överlevnad (metabolism och celldelning), blir det svårare för bakteriecellen att bli resistent mot det antibiotikumet, eftersom det måste utveckla taktik för att övervinna antibiotikans effekt på båda dessa processer. Att göra antibiotikaresistens mycket svårare för en bakteriecell att uppnå kommer förhoppningsvis att ge en ny lösning för att bekämpa antibiotikaresistens.

ordlista

bakteriell celldelning: processen för en bakteriecell som delas upp i två celler.

DNA: koden i en cell som innehåller all information som behövs för att en cell ska överleva.

Metabolism: alla kemiska processer som är involverade i omvandling av mat till energi kallas tillsammans metabolism.

enzym: en biologisk komponent som hjälper en reaktion att ske snabbt.

glukos: ett enkelt socker.

glykolys: en väg som bryter glukos i två molekyler pyruvat.

pyruvat: en kemisk förening som produceras efter att glukos bryts ner (metaboliseras).

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

bekräftelser

RM stöds av ett australiskt Regeringsforskningsprogram stipendium. AB och EH stöds av ett australiskt forskningsråd Discovery project grant DP150102062.

ursprungliga källan artikeln

Monahan, L. G., Hajduk, IV, Blaber, SP, Charles, I. G., och Harry, Ej 2014. Koordinering av bakteriecelldelning med näringstillgänglighet: en roll för glykolys. MBio 5 (3): 1-13. doi: 10.1128/mBio.00935-14