Исследователи описывают действие антибиотиков на мембранные везикулы (МВ), показывая, что препараты активно изменяют транспортные характеристики везикул.
Под действием антибиотиков МВ вырабатывались и высвобождались бактериями в большем количестве и перемещались быстрее и дальше от места своего происхождения. Работа проливает новый свет на эти важные информационные носители, вовлеченные во многие процессы клеточной коммуникации, в том числе на резистентность к антибиотикам.
Бактериальные мембранные везикулы, которые когда-то считались просто отбросами жизнедеятельности клеток, с тех пор стали новым захватывающим направлением исследований благодаря богатству биологической информации, которую они несут другим бактериям, а также другим типам клеток.
Эти крошечные частицы, производимые большинством бактерий, могут возникать из внешних клеточных мембран, перемещаясь по поверхностям клеток и время от времени мигрируя в межклеточные пространства. В новом исследовании, опубликованным в Science Advances Луис Циснерос и его коллеги из Центра биоконструирования Университета штата Аризона предполагают, что измененное поведение MВ может представлять собой стресс-ответ на присутствие антибиотиков и что MВ освобожденные из клеточной мембраны могут передавать срочные предупреждающие сигналы в соседние клетки и, возможно, способствовать развитию резистентности к антибиотикам.
"Долгое время считалось, что мембранные везикулы участвуют в процессе сигнализации клеток, что приводит к изменениям в коллективном поведении живых клеток, например, к координации ответных реакций на выживание из-за стресса, вызванного антибиотиками", - говорит Циснерос. "Но многие детали в динамике этого процесса пока еще плохо изучены. Наша работа открывает новые двери в этой области".
Спутники бактерий
Мембранные везикулы - капсулированные частицы, высвобождаемые из мембран бактерий являются информационными носителями. Как наноразмерные флэшки, они могут кодировать и переносить объемы данных в виде полисахаридов, белков, ДНК, РНК, метаболитов, ферментов и токсинов. Кроме того, они экспрессируют на своей внешней мембране множество белков, полученных с бактериальных поверхностей, с которых они были экссудированы.
Новаторские исследования механизмов управления движением везикулами были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2013 году и в настоящее время используются для упаковки мРНК шипов коронавируса в долгожданную вакцину против КОВИД-19.
Богатое хранилище информации, которое содержат MВ, и его конечное воздействие на бактериальные и небактериальные клетки имеет большое научное и медицинское значение. В дополнение к оповещению бактерий о стрессах, таких как антибиотики, MВ вовлечены в quorum sensing («чувством кворума» называют способность некоторых микроорганизмов к общению посредством специфических сигнальных молекул, необходимому для координации действий членов сообщества. Цит. по Биомолекула), за счет чего бактерию получают информацию об общей плотности популяции и что может даже влиять на мозговые процессы у высших млекопитающих. Это может произойти в том случае, если MВ, произведенные кишечными микробами, транспортируют свой груз в нервную систему.
Мембранные везикулы являются общими для бактерий и других одноклеточных организмов, археев и эукариотических клеток, встречающихся в многоклеточных организмах, в том числе и в раковых клетках. В зависимости от типа клетки из которой они появляются, они участвуют в межклеточной коммуникации, коагуляции, воспалительных процессах и генезе опухолей, а также играют роль в биологии стволовых клеток.
Более пристальный взгляд
Однако, несмотря на их важность, МВ до недавнего времени уделялось недостаточное внимание. В связи с их размерами, от 20 до 400 нм в диаметре, они являются сложным предметом изучения, особенно в их естественном состоянии в живых системах.
Ключом к получению более глубокого представления о поведении MВ был технологический прогресс, позволяющий внимательно наблюдать за ним. Новое исследование описывает сложные методы флуоресцентной микроскопии и анализа данных, используемых для отслеживания производства и транспортировки MВ в лабораторных условиях.
Традиционно MВ изучаются с помощью биохимических методов, электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Эти методы помогли ученым исследовать состав MВ, которые могут содержать нуклеиновые кислоты, белки, липиды, различные токсины, антибиотики, фаговые рецепторы фага, сигнальные молекулы, метаболиты, металлы и факторы роста. Точный состав МВ зависит от физиологических деталей материнской клетки, а также от способа формирования МВ.
Аналогичным образом, на формирование и высвобождение МВ могут влиять многочисленные факторы. К ним относятся антибиотики и химиотерапевтические препараты, воздействие окружающей среды, гибель клеток и некроз, а также повреждение ДНК бактерий. Повышенное производство и транспортировка MВ может быть обобщенным ответом на бактериальный стресс.
Шоссе для передачи бактериальной информации
Эффекты транспорта MВ также остается предметом значительных спекуляций. Высвобождение МВ, по-видимому, связано с рядом критических биологических процессов, включая клеточное общение, горизонтальную передачу генов и модуляцию иммунного ответа. Важно отметить, что, как полагают, они также действуют в качестве приманки для антибиотиков.
Чтобы лучше понять эти и другие особенности MВ в живых системах, особенно важно внимательно следить за их перемещениями с течением времени. Текущее исследование представляет собой первое количественное отслеживание MВ с высоким разрешением в ответ на антибиотикотерапию.
Эксперименты проводились на популяциях живой Escherichia coli, бактерий-комменсалов и наиболее распространенных бактерий человеческого кишечника. Индивидуальные MВ были маркированы флуоресцентным красителем, после этого визуализированы при помощи флуоресцентной микроскопии высокого разрешения. Дополнительно, транспорт MВ был исследован полностью автоматизированными методами визуализации, позволяющими отслеживать движение частиц.
Анализ движения везикул показал, что при лечении малыми дозами антибиотиков значительно изменяется динамика везикул, аффинность везикул к мембранам и поверхностные свойства клеточных мембран, что в целом усиливает транспорт везикул по поверхностям мембран бактерий. Продолжающиеся исследования должны помочь исследователям определить, демонстрируют ли популяции бактерий повышенную резистентность к антибиотикам, вызванную стрессом при транспортировке MВ.
По словам одного из авторов нового исследования, "это первое доказательство того, что отслеживание тысяч индивидуальных траекторий мембранных везикул в реальном времени в живой популяции микроорганизмов было реализовано. Получение информации о том, как они движутся и локализуются в микроколонии бактерий, а также о том, как их двигательные свойства могут быть сигнатурой антибиотического стресса, несомненно, откроет новое направление в исследованиях по этой увлекательной и актуальной в настоящее время теме".
Данное исследование помогает углубить наше понимание этих загадочных объектов и в то же время прокладывает путь для различных применений в иммунологии и биотехнологии.
