Международная группа исследователей сделала беспрецедентно детальный снимок поверхности бактерии, обнаружив при этом изъяны во внешней мембране, которая служит барьером против антибиотиков.
Эти слабые места напоминают бреши в броне бактерии, которые однажды могут быть использованы новыми препаратами для нейтрализации патогенов, которые становятся все более резистентными к обычным антибиотикам. Ранее ученые из лаборатории профессора Барта Хугенбума из Университетского колледжа Лондона использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ) для идентификации и точного определения белков на поверхности бактерий. Этот метод представляет собой разновидность "чувствующей микроскопии", при которой крошечная острая игла повторяет контур образца подобно тому, как слепой человек может читать по Брайлю.
В своем новом исследовании первый автор работы Джорджина Бенн усовершенствовала этот процесс, чтобы лучше понять, как некоторые белки в нашей крови убивают бактерии, проделывая в них отверстия. При этом ей удалось получить изображение всей поверхности Escherichia coli с поразительно высоким разрешением - менее пяти нанометров, или 1/10 000 толщины человеческого волоса. Это оказалось гораздо сложнее, чем может показаться. "Вы не можете просто взять свой смартфон и сделать еще несколько снимков!" сказал Хугенбум, добавив, что на каждом этапе работы необходимо было поддерживать высокий уровень процедур, начиная с приклеивания батерии к стеклянной подложке и заканчивая различными техниками, связанными с работой микроскопа, чтобы не разрушить образец.
"Нам нужно было преодолеть множество мелких препятствий, чтобы решить большую задачу, в нашем случае - надежно визуализировать бактерии с такой четкостью, как показано в данном исследовании, и идентифицировать то, что мы видим", - сказал Хугенбум. "Не существует какого-то одного ключевого открытия, которое позволило нам сделать этот снимок; вместо этого он стал результатом оптимизации целого ряда вещей, которые в него вошли. Мне нравится сравнивать это с приготовлением пищи: изысканное блюдо зависит от разумного выбора и правильного баланса нескольких высококачественных ингредиентов, а не от того, что в него добавили лишнюю соль или перец. И хотя я, конечно, необъективен, я думаю, что эти снимки определенно заслуживают звезды Мишлен!".
E. coli относится к грамотрицательным бактериям для которых характерен защитный внешний слой. К всеобщему удивлению, изображение показало, что эта защитная оболочка не однородна, а состоит из густой сети белков, перемежающихся с участками, где белки отсутствуют. Вместо них эти участки обогащены гликолипидами, которые помогают поддерживать герметичность внешней мембраны, но могут также скомпрометировать бактерии при определенных условиях. "Мы провели микроскопию бактерий с очень высоким разрешением с совершенно другой целью и с удивлением обнаружили, что архитектура поверхности бактерий гораздо более неоднородна, чем считалось ранее, она не является однородной молекулярной кирпичной стеной, как можно было бы ожидать. Мы также обнаружили, что некоторые типы неоднородностей коррелируют с повышенной уязвимостью бактерий к некоторым антибиотикам".
"Поэтому мы осторожно предполагаем, что, поняв неоднородную природу бактериальной поверхности, мы сможем научиться более эффективно убивать большой класс бактерий (грамотрицательные бактерии) и тем самым решать проблемы, связанные с резистентностью к противомикробным препаратам",
- пояснил Хугенбум.
Помимо чередующихся участков на поверхности бактерий, исследователи также наблюдали другой тип участков, похожих на бугорки, которые образовывались, когда части мембраны были вывернуты наизнанку из-за мутаций. Эти дефекты оказались чувствительными к бацитрацину, антибиотику, обычно эффективному только против грамположительных бактерий.
"Мы еще не знаем, может ли это привести к новым методам лечения. Однако в целом наше исследование помогает лучше понять архитектуру внешней мембраны, которая является основным барьером, защищающим грамотрицательные бактерии от антибиотиков. Таким образом, подобно тому, как мы можем выявить уязвимые места в структуре здания, если знаем его детальную архитектуру, мы ожидаем, что наши результаты могут помочь нам выявить уязвимые места бактерий, которые могут быть использованы новыми антибиотиками. Некоторые из наблюдаемых нами особенностей действительно связаны с повышенной уязвимостью к некоторым антибиотикам, но это определенно то, что требует дальнейшего изучения и исследования", - сказал Хугенбум.
Однако эти участки не являются случайностью природы. В своем исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые считают, что чередующиеся вкрапления на поверхности бактерий могут объяснить, как они могут сохранять свой толстый защитный барьер и при этом быстро расти. Например, E. coli может удваиваться в размерах и делиться каждые двадцать минут, если получает достаточно пищи. Если бы у бактерий не было гликолипидных вкраплений, мембрана не смогла бы так легко растягиваться.
Однако эти результаты должны быть воспроизведены на других грамотрицательных бактериях. Исследователи надеются вскоре получить изображение Acinetobacter baumannii, очень распространенного источника больничных инфекций, который становится все более резистентным к антибиотикам. "Несмотря на высокое разрешение, которое мы получили, в наших изображениях есть много скрытых аспектов, много молекул, которые мы не можем напрямую идентифицировать. Мы очень надеемся раскрыть полную структуру бактериальной поверхности, немного похожую на конструктор Lego, а затем увидеть, как от этого зависит эффективность различных антибиотиков", - сообщил Хугенбум.
"Как ученый, я считаю, что мир невероятно богат, и он становится еще богаче, когда мы можем рассматривать его в разных масштабах. Просто замечательно, что мы можем даже рассмотреть молекулярные строительные блоки, из которых состоят бактерии".
