Naukowcy odkrywają, w jaki sposób śmiertelny patogen łamie zasady biologii bakteryjnej
Gruźlica (TB), którą Światowa Organizacja Zdrowia ponownie sklasyfikowała jako najczęstszą przyczynę śmierci z powodu chorób zakaźnych na świecie, jest pierwszym jednokomórkowym organizmem zaobserwowanym, który utrzymuje stałe tempo wzrostu przez cały cykl życia. Wyniki te, opublikowane 15 listopada przez naukowców z Tufts University School of Medicine w czasopiśmie Nature Microbiology, podważają podstawowe przekonania dotyczące biologii komórki bakteryjnej i sugerują, dlaczego ten śmiertelny patogen tak łatwo unika działania układu odpornościowego i antybiotyków.
„Najbardziej podstawową rzeczą, jaką można badać w przypadku bakterii, jest to, jak rosną i dzielą się, jednak nasze badanie pokazuje, że prątek gruźlicy działa według zupełnie innego zestawu reguł w porównaniu z łatwiejszymi do badania organizmami modelowymi” – powiedziała prof. Bree Aldridge, profesor biologii molekularnej i mikrobiologii na Tufts School of Medicine oraz profesor inżynierii biomedycznej na School of Engineering, będąca współautorką badania, obok Ariela Amira z Weizmann Institute of Science.
Prątki gruźlicy są skuteczne w przetrwaniu w organizmie człowieka, ponieważ niektóre części infekcji mogą szybko ewoluować w obrębie gospodarza, pozwalając tym odchyleniom uniknąć wykrycia lub opierać się leczeniu. W przypadku gruźlicy leczenie wymaga miesięcy terapii różnymi antybiotykami, a mimo to skuteczność tej metody wynosi jedynie 85%. Aldridge i jej współpracownicy przypuszczają, że luki w naszej wiedzy na temat podstawowej biologii tego zjawiska mogą hamować rozwój bardziej skutecznych terapii.
Uzyskanie odpowiedzi okazało się jednak powolną i żmudną pracą. Christin (Eun Seon) Chung, stypendystka podoktorska na Tufts School of Medicine, jedna z pierwszych autorek artykułu, przez trzy lata pracowała w specjalistycznym ośrodku przystosowanym do pracy z patogenami wysokiego ryzyka, obserwując zachowanie poszczególnych komórek TB. Ponieważ bakterie gruźlicy podwajają swoją liczbę co około 24 godziny (dla porównania, niektóre gatunki bakterii modelowych robią to w ciągu 20 minut), zespół Aldridge musiał opracować i zastosować nowe metody mikroskopii, aby filmować mikroorganizmy przez tydzień. Chung analizowała nagrania i ręcznie śledziła każdą bakterię TB oraz ich “potomstwo”, gdyż są one bardzo małe i podatne na przemieszczanie się, co uniemożliwiało automatyczną analizę.
Te eksperymenty wykazały, że prątek gruźlicy nie podąża za oczekiwanymi wzorcami wzrostu komórek. W przypadku innych gatunków bakterii wzrost jest wykładniczy, co oznacza, że komórki rosną wolniej, gdy są mniejsze. W przypadku bakterii TB tempo wzrostu może być takie samo, niezależnie od tego, czy komórki są młode (i małe), czy też znajdują się w zaawansowanej fazie cyklu komórkowego, zbliżając się do podziału.
„To pierwszy opisany organizm, który potrafi coś takiego” – powiedziała Chung. „Zachowanie TB kwestionuje fundamentalne zasady biologii bakteryjnej, ponieważ uważano, że rybosomy – będące miejscami syntezy białek w komórce – napędzają tempo wzrostu komórki, jednak nasze badania sugerują, że w przypadku bakterii TB może zachodzić coś innego, co rodzi nowe pytania dotyczące kontroli wzrostu.”
Oprócz doniesień o dużej zmienności zachowań wzrostowych poszczególnych komórek bakteryjnych, zespół odkrył jeszcze jedno nowe zachowanie wzrostowe bakterii TB: mogą one rozpoczynać wzrost z dowolnego końca zaraz po podziale. Było to nieoczekiwane, ponieważ pokrewne bakterie zaczynają rosnąć tylko od końca przeciwnego do miejsca, gdzie odcięły się od komórki macierzystej podczas podziału.
Te obserwacje pokazują, że prątki gruźlicy stosują alternatywne strategie zwiększania zmienności wśród swojego “potomstwa”, co podważa wcześniejsze założenia oparte na szybszych i bardziej jednorodnych organizmach modelowych. Aldridge twierdzi, że badanie pomoże jej laboratorium oraz innym zespołom badawczym lepiej zrozumieć i wykorzystać te mechanizmy do celów terapeutycznych.
„Wiele podstawowych badań mikrobiologicznych prowadzonych jest na szybko rosnących organizmach modelowych, a chociaż są one modelami z jakiegoś powodu, nie oznacza to, że reprezentują inne typy bakterii” – powiedziała Aldridge. „Istnieje ogromna różnorodność życia, którą nie badamy na podstawowym poziomie, a nasze badania pokazują, dlaczego musimy badać patogeny bezpośrednio.”
Prathitha Kar z Harvard University, druga współautorka artykułu, oraz Maliwan Kamkaew, wcześniej związana z Tufts University School of Medicine, również przyczyniły się do powstania pracy.
Źródło: Nature Microbiology, Single-cell imaging of the Mycobacterium tuberculosis cell cycle reveals linear and heterogenous growth, Tufts University, fot. Jeannaa Adobe
