Считается, что трудности в лечении антибиотиками Mycobacterium tuberculosis (Mtb) отчасти обусловлены гетерогенностью роста микобактерий.
Хотя способность бактериальных патогенов регулировать рост имеет решающее значение для контроля гомеостаза, вирулентности и реакции на лекарственные препараты, рост отдельных клеток и особенности клеточного цикла у Mtb плохо охарактеризованы. Туберкулез по-прежнему трудно поддается лечению, требуя длительной комбинированной терапии из-за гетерогенности реакции хозяина и поведения отдельных бацилл Mtb. Лекарственно устойчивые субпопуляции Mtb демонстрируют различные характеристики роста, метаболического состояния и генной регуляции. Поэтому способность Mtb к гетерогенности во многих клеточных процессах, включая поведение при росте, считается основным препятствием для разработки краткосрочных терапий.
Фенотипическое переключение на состояние медленного роста для обеспечения персистенции наблюдалось и у других бактерий, включая Escherichia coli и Salmonella. Несмотря на критическую роль вариабельности роста в способности бактерий переносить лекарственную терапию, основные модели роста и гетерогенность ростовых характеристик Mtb неизвестны, что затрудняет изучение того, как создается и поддерживается вариабельность роста у этого патогена.
Исследования роста микобактерий на уровне одной клетки были сосредоточены на непатогенном виде Mycobacterium smegmatis, который быстрее растет и крупнее, чем Mtb. Микобактерии удлиняются от своих полюсов, а M. smegmatis растут и делятся асимметрично, создавая различия в поведении при росте между сестринскими клетками. M. smegmatis больше удлиняются от своих старых полюсов, и сестринская клетка, унаследовавшая старый полюс (клетка-акселератор), длиннее при рождении и растет быстрее, чем ее сестра (клетка-альтернатор). Наше понимание поведения при росте M. smegmatis основано на данных визуализации живых клеток и фиксированных клеток, однако практические проблемы затрудняют проведение аналогичных экспериментов по визуализации живых клеток Mtb из-за их медленно растущей природы, небольшого размера и необходимости работы с Mtb в условиях уровня биобезопасности. В результате понимание роста Mtb основано преимущественно на детальных исследованиях M. smegmatis и ограниченных подтверждениях с помощью визуализации неподвижных клеток Mtb.
Хотя есть доказательства того, что Mtb могут расти и делиться асимметрично, может оказаться, что поведение Mtb при росте не очень похоже на поведение M. smegmatis, учитывая разницу во временных масштабах и размерах. Например, время удвоения M. smegmatis составляет от 3 до 5 ч, в то время как Mtb удваивается каждые ~18 ч в богатой среде, что увеличивается в условиях, имитирующих хозяина. Фундаментальные различия в размерах, скорости роста и плотности рибосом M. smegmatis и Mtb позволяют предположить, что для понимания поведения Mtb в процессе роста необходимо прямое изучение Mtb с использованием таймлапс-визуализации, а не перенос результатов изучения M. smegmatis.
Хотя клетки удваиваются в численности в каждом поколении, а их популяция растет экспоненциально, априори неясно, как растет отдельная клетка. Анализ данных по отдельным клеткам большинства бактерий, включая M. smegmatis и даже архей, свидетельствует об экспоненциальном росте, который объясняется самовоспроизводством рибосом и синтезом белка. E. coli демонстрирует суперэкспоненциальный рост на более поздних стадиях клеточного цикла, а Bacillus subtilis следует двухфазной модели роста с линейным ростом до достижения критического размера, за которым следует экспоненциальный рост в течение определенного времени. Определение того, как растут клетки, имеет решающее значение, поскольку режим роста определяет, какие молекулярные механизмы могут быть вовлечены в рост клеток. Несмотря на критическую роль роста для патогенеза туберкулеза и лекарственного ответа, нам не хватает понимания режима роста Mtb.
В данной статье мы охарактеризовали фундаментальные характеристики роста отдельных клеток и режим роста Mtb. Используя временную визуализацию, мы измерили параметры роста и клеточного цикла одной клетки, чтобы описать режим роста Mtb и подробные характеристики роста, включая параметры размера клеток и происхождение гетерогенности роста. Мы показали, что Mtb растет и делится асимметрично и демонстрирует высокий уровень гетерогенности в размерах клеток, времени между делениями и скорости удлинения. Однако, в отличие от M. smegmatis, у Mtb есть субпопуляции ускорителей и альтернаторов, которые не демонстрируют разного поведения при росте, что позволяет предположить, что Mtb создает гетерогенность с помощью новых механизмов.
Мы также обнаружили, что Mtb нарушает ранее существовавшую полярную модель роста, согласно которой удлинение происходит сначала от старого полюса. Вместо этого мы обнаружили, что клетки Mtb могут расти по трем различным схемам: сначала от старого полюса (в соответствии с предыдущими моделями), сначала от нового полюса или от обоих полюсов вместе. Кроме того, мы обнаружили, что доминирующий режим роста Mtb является линейным на уровне одной клетки на протяжении всего клеточного цикла.
В целом, наше исследование показывает, что поведение Mtb при росте не может быть изучено только на примере модельных организмов или с помощью визуализации фиксированных клеток, и обеспечивает количественную основу для изучения поведения при росте и его вариаций у Mtb. Учитывая критическую роль роста, метаболического состояния и адаптации к изменчивой среде, с которой сталкивается Mtb во время инфекции, для вирулентности Mtb и лекарственного ответа, дальнейшие исследования клеточного цикла Mtb и других патогенов позволят нам разработать улучшенные терапевтические вмешательства.
