Это явление имеет решающее значение в борьбе бактерий за выживание. Чем больше разнообразия в популяции бактерий, тем больше вероятность, что в ней будут люди, способные воспользоваться новой возможностью или преодолеть новую угрозу, в том числе угрозу, исходящую от антибиотика.
В недавнем исследовании исследователи из Вашингтонского университета показали, что при делении бактериальной клетки на две дочерние клетки может наблюдаться неравномерное распределение клеточных органелл. Полученные ячейки могут вести себя по-разному, в зависимости от того, какие части они получили при разбиении.
«Это еще один способ, которым клетки в популяции могут диверсифицироваться. Здесь мы показали это на бактерии, но, вероятно, это верно для всех клеток, включая клетки человека», — сказал д-р Сэмюэл Миллер, профессор микробиологии и генома из Университета штата Вашингтон. , медицина и старший автор статьи.
Бриджит Кулашекара, получившая степень доктора философии в Программе молекулярной и клеточной биологии UW, была ведущим автором статьи. Среди других участников: Хеманта Куласекара, Матиас Кристен и Кэсси Камишке, которые работают в лаборатории Миллера, и Пол Виггинс, доцент кафедры физики и биоинженерии Университета штата Вашингтон.
Статья публикуется в онлайн-журнале eLife.В более ранней работе Миллер и его коллеги показали, что при делении бактерий увеличивается концентрация важной регуляторной молекулы, называемой циклическим дигуанозинмонофосфатом (c-di-GMP). был неравномерно распределен между двумя потомками. c-di-GMP — это молекула второго мессенджера. Это открытие было опубликовано в журнале Science в 2010 году.Молекулы вторичных мессенджеров передают сигналы от датчиков или рецепторов на внешней мембране клетки к целям внутри клетки, где они могут быстро изменять широкий спектр клеточных функций, таких как метаболизм и подвижность.
Способность быстро реагировать на внешние раздражители важна для выживания бактерий. Например, чтобы выжить, бактерия должна без колебаний плыть к питательным веществам или прочь от токсинов. Это направленное движение микроорганизмов, вызванное наличием полезного или вредного вещества, известно как хемотаксис.
«Эффект от вторых мессенджеров почти мгновенен», — сказал Миллер. «Они позволяют бактериям изменять свое поведение за секунды».Чтобы обнаружить разницу в уровнях c-di-GMP между клетками, исследователи использовали метод, называемый микроскопией с резонансным переносом энергии Форстера или FRET-микроскопией. Это позволило им измерить наномолярные изменения концентрации c-di-GMP в отдельных бактериях, поскольку изменения происходили посекундно.
Различные концентрации c-di-GMP могут иметь сильное влияние на поведение клетки. Например, у бактерий Pseudomonas aeruginosa клетки с высоким уровнем c-di-GMP, как правило, остаются неподвижными, прилипают к поверхностям и образуют колонии. С другой стороны, люди с низким уровнем, как правило, активно плавают, используя винтовой винт, расположенный на одном конце бактерии.
В последнем исследовании Миллер и его коллеги выяснили молекулярный механизм разницы в концентрациях c-di-GMP, наблюдаемой между дочерними клетками.Когда клетки Pseudomonas делятся, они сжимаются пополам, образуя две дочерние клетки.
Хотя клетки генетически идентичны, только одна дочерняя клетка может унаследовать единственный пропеллер бактерии. Другая клетка может синтезировать свой собственный пропеллер, но сразу после деления две клетки совершенно разные.Миллер и его коллеги сообщают в статье eLife, что дочерняя клетка, наследующая пропеллер, также наследует фермент, который тесно связан с пропеллером, разлагающим c-di-GMP, а также органеллы, участвующие в направлении движения в направлении или от него. от стимулов, активирующих этот фермент.
Вместе эти две органеллы работают вместе, снижая концентрацию c-di-GMP и контролируя плавание.«Мы показали, что неравномерное наследование органелл — это еще один способ, которым клетки должны создавать разнообразие и увеличивать шансы на выживание своего вида», — сказал Миллер.Он добавил, что результаты его команды могут помочь объяснить, как бактерии сопротивляются лечению антибиотиками, поскольку некоторые клетки в их популяциях всегда находятся в медленно растущем состоянии покоя.
Поскольку антибиотики нацелены на быстрорастущие клетки, эти покоящиеся клетки с большей вероятностью выживут после лечения. Полученные данные также могут помочь объяснить, как некоторые бактерии могут прилипать к таким поверхностям, как мочевые катетеры, внутривенные каналы и сердечные клапаны, и колонизировать их.
В текущих исследованиях команда Миллера пытается лучше понять сигналы, которые могут очень быстро изменить концентрации вторичных мессенджеров, и проверяет соединения, которые могут мешать или изменять эти сигналы. Такие соединения можно использовать, например, для борьбы с лекарственной устойчивостью или подавления способности бактерий прилипать к поверхностям и образовывать слизеподобные колонии, называемые биопленками, которые обладают высокой устойчивостью к антибиотикам.