Ферросомы внутри бактерии Clostridioides difficile (C. diff) - одной из основных причин внутрибольничных инфекций - могут стать новыми мишенями для антибактериальных препаратов, направленных на борьбу с этим возбудителем.
Группа исследователей обнаружила, что C. diff производит ферросомы и что эти структуры важны для развития инфекции. Результаты исследования, опубликованные 15 ноября в журнале Nature, также являются редкой демонстрацией мембраносвязанной структуры внутри патогенной бактерии.
Железо незаменимо практически для всех форм жизни, но при повышенном содержании в организме оно токсично. Чтобы выжить в организме хозяина, бактериальные патогены выработали стратегии поглощения, хранения и детоксикации железа для поддержания гомеостаза железа. Недавние исследования показали, что некоторые грамотрицательные анаэробы продуцируют железосодержащие ферросомные гранулы. Однако остается неясным, образуются ли ферросомы исключительно грамотрицательными бактериями.
Долгое время считалось, что бактерии не содержат органелл, как эукариотические клетки, однако эта биологическая догма, по-видимому, неверна. "Появившаяся идея о том, что бактерии действительно разделяют биохимические процессы подобно эукариотическим клеткам, переворачивает представление о микробиологии, - говорит Эрик Скаар, директор Института инфекции, иммунологии и воспаления Вандербильта. Скаар и коллеги были заинтригованы появившимися несколько лет назад данными о том, что некоторые бактерии, обитающие в окружающей среде, производят железосодержащие ферросомы. Они знали, что гены этих бактерий есть и у C. diff и задались целью выяснить, производит ли C. diff ферросомы для удовлетворения своей потребности в железе.
Скаар и его сотрудники сосредоточили внимание на том, как патогены, подобные C. diff, приобретают железо и другие металлы, с целью найти новые пути, которые можно было бы использовать для "истощения" патогенов в необходимых питательных веществах. "Лучший способ поиска накопления элементов в небольшом пространстве, таком как клетка, - это метод криоэлектронной микроскопии (STEM-EDS), который не всегда использовался для биологических образцов", - пояснил Скаар.
Авторы обнаружили, что мембранный белок (FezA) и транспортер P1B6-АТФазы (FezB), репрессируемые как железом, так и регулятором поглощения железа Fur, необходимы для формирования ферросом и играют важную роль в гомеостазе железа при переходе от его дефицита к избытку. Используя бактерии C. diff, лишенные этих генов, они показали, что ферросомы необходимы для того, чтобы C. diff полностью колонизировался и вызывал заболевания в животной модели. В модели воспалительного заболевания кишечника ферросомы оказались еще более важными для инфицирования C. diff, что свидетельствует о том, что эти железосодержащие структуры помогают бактерии бороться с "алиментарным иммунитетом" - реакцией хозяина, вырабатывающего белки, связывающие железо и пытающиеся уничтожить патоген.
С помощью криогенной электронной микроскопии и криотомографии ученые показали, что структуры ферросом заключены в мембрану, что позволяет отнести их к органеллам. Полученные результаты "позволяют рассматривать образование ферросом и все факторы, участвующие в образовании ферросом, как потенциальные мишени для новых антибактериальных препаратов против важнейшего инфекционного заболевания", - отметил Скаар. "Каждый раз, когда мы находим новые факторы, участвующие во взаимодействии хозяина и патогена, и показываем, что они важны для развития инфекции, это открывает совершенно новые возможности для создания классов антибактериальных препаратов, которых раньше не существовало. Это особенно важно в условиях растущей резистентности к противомикробным препаратам, которую мы наблюдаем во всем мире".
В дальнейших исследованиях ученые планируют изучить, как образуются ферросомы, производят ли ферросомы другие кишечные патогены и могут ли эти структуры использоваться в кишечнике в качестве источника железа. Скаар также особенно заинтересован в изучении новой области бактериальных органелл. "Мы считаем, что наше исследование - это редкая демонстрация органеллы у патогенной бактерии", - сказал он. "Теперь мы хотим узнать, есть ли у бактерий другие субклеточные отделы, которые могут рассказать нам о том, как эти клетки выполняют различные физиологические процессы".
