«У нас есть удивительная иммунная система, которая позволяет контролировать все это, а затем бороться с патогенными бактериями», — говорит Кэтрин Леймкулер Граймс, доцент кафедры химии и биохимии в Университете Делавэра. «Это прекрасно, когда система работает, но также ужасно, когда она не работает».Когда полезная бактерия ошибочно определяется как вредная, атака иммунной системы может вызвать хронические воспалительные заболевания, такие как астма, болезнь Крона и другие расстройства.
Почему происходит эта неправильная идентификация, остается загадкой, но Граймс и ее исследовательская группа из Университета Делавэра изобрели многообещающий новый метод, который буквально помогает пролить свет на то, что происходит. Аванс опубликован в Nature Communications.Обозначение ячейки «куртка»
Теперь вернемся к тому, что мы носим с собой от трех до пяти фунтов бактерий … Большая часть веса приходится на клеточные стенки бактерий, или «оболочки», как их называет Граймс. Прочные, но гибкие, они состоят из пептидогликана — сетчатого полимера, состоящего из молекул белка (пептидов) и сахара (гликанов).
Бактерии обычно отслаивают фрагменты своей пептидогликановой оболочки. Когда иммунная система неправильно считывает эти фрагменты и атакует здоровые ткани, могут возникнуть хронические воспалительные заболевания. Но до сих пор ученые не уделяли должного внимания этому процессу.
За последние четыре года Граймс и ее команда придумали, как маркировать и осветить сахарную основу оболочки клетки — первая лаборатория в мире, которая сделала это.«Мы хотели химически создать новый строительный блок — например, конструктор Lego с треугольниками наверху вместо кругов — а затем подать этот материал в ячейку, которая будет использовать его для создания своей оболочки, не влияя ни на что другое», — объяснил Граймс. «После того, как этикетка была включена, мы решили, что можем поставить на нее« фонарики », которые помогут нам визуализировать клеточные фрагменты и начать определять иммуностимулирующую среду».По словам Граймса, никто никогда раньше не помечал гликаны внутри бактерий подобным образом, отметив, что этот подход исходит из относительно новой области биоортогональной химии, в которой химические реакции происходят в живой системе, не вмешиваясь в естественные процессы этой системы.
Она продолжает удивляться тому, как ее ученикам — как отдельным ученым с уникальными сильными сторонами, так и сотрудникам — удавалось преодолевать все препятствия, с которыми они сталкивались, даже когда шансы на успех казались немного туманными.Сила команды
По словам Граймса, когда команда на раннем этапе столкнулась с серьезным препятствием, положение спасла аспирантка Хай Лян. Он только что прочитал недавнюю рукопись из лаборатории Кристофа Майера в Тюбингенском университете, Германия, о том, как бактерии являются естественными переработчиками.«Бактерии очень« зеленые », — сказал Лян. «На самом деле они затрачивают много энергии на создание этого полимера — пептидогликана — и хотят вернуть его строительные блоки».Лян рассказал команде, как группа Майера обнаружила два рециркулирующих фермента, которые, по мнению Ляна, потенциально могут сопровождать их химически модифицированный строительный блок в клетку.
Но примет ли клетка их немного причудливый строительный блок с треугольниками наверху?Докторант Кристен ДеМистер разработала синтез для установки биоортогональной функциональности («треугольники») — алкина или азида — на сахарные строительные блоки и проверила реакцию клеток. Бактериям это понравилось, и им дали фонарики.Она также придумала, как производить большое количество сахара (гликана) в качестве сырья.
«Даже во время пробежки я думал о том, как сделать сахар быстрее», — сказал ДеМистер. «Теперь я могу сделать это за неделю, и я учу студентов, как это делать». Ее процесс изготовления этих соединений и сам метод UD в настоящее время поданы на патент.
Соавторы предлагают более четкое представлениеЧтобы убедиться, что их метод работает, Граймс благодарит центр масс-спектрометрии UD за помощь в выделении строительных блоков пептидогликана из образцов клеток и поиске фрагмента, который они искали.Джеффри Каплан, директор Центра биовизуализации UD, обучил команду работе с мощным микроскопом сверхвысокого разрешения с возможностью трехмерного изображения, чтобы увидеть фонарики, которые они помещают на клеточную стенку бактерий.«То, как Кэтрин и ее команда прямо навешивали ярлыки на то, что они хотели видеть, с почти 100-процентной точностью, было невероятно элегантным и захватывающим», — сказал Каплан. «Мы действительно заглядывали внутрь клеточных стенок, обнаруживая отдельные молекулы, прикрепленные к сахарам».
«Без Джеффа наши открытия никогда бы не произошли», — сказал Граймс. «Джефф надел нам очки».Но как эти меченые фрагменты влияют на иммунную систему?
Введите сотрудницу Мишель Пэрент, доцент кафедры медицинских лабораторных наук в UD, и докторант Чинг-Вэнь (Сэнди) Хоу, которая работает с макрофагами — клетками, которые находят и поедают инородные тела.Когда вы выращиваете человеческие клетки, вы не хотите, чтобы вокруг ничего грязного. Но грязный инкубатор — это именно то, что нужно Хоу и которое он использовал для культивирования кишечной палочки. После обработки этих клеток макрофагами она посмотрела под микроскопом и увидела фрагменты бактерий внутри макрофага вместе с кусочками пептидогликана.
«Мы надеемся увидеть, какой фрагмент активирует иммунный ответ в будущем», — сказал Хоу.Новый метод UD уже привлекает новых сотрудников в лабораторию Граймса. Исследование с участием исследователей из Массачусетского университета в Амхерсте фокусируется на микобактериях туберкулеза, вызывающих туберкулез, а Helicobacter pylori, бактерии, вызывающей рак желудка, является целью совместных усилий с Исследовательским центром рака Фреда Хатчинсона в Сиэтле.
Команда мечтыСказать, что Граймс гордится своей исследовательской группой, было бы преуменьшением.«Видеть, как эти аспиранты работают вместе и не позволяют их эго встать на пути — это фантастика», — сказал Граймс. «Мои коллеги из других университетов спрашивают, как вам удалось заставить своих студентов так хорошо работать вместе? Я думаю, что это было лучшее сотрудничество, которое я когда-либо испытывал».
По словам Граймс, конечная цель ее команды — с помощью науки изменить мир к лучшему для людей во всем мире, страдающих хроническими воспалительными заболеваниями. Чтобы найти более эффективные методы лечения и возможные способы лечения, потребуются умственные способности, упорство и упорный труд.
И это еще не все.Если вы посетите офис Граймс в UD, вы, вероятно, увидите ежегодные футболки ее лаборатории, висящие на стене.
На задней части модели 2015 года красуется строчка, которой живет ее лаборатория: «Доверяйте своей интуиции».