Siitä lähtien, kun ihmiset kuvasivat ensimmäisen kerran bakteeri-itiöitä - inerttejä, lepotilassa olevia bakteereja - yli 150 vuotta sitten, yhdysvaltalaisen Harvard Medical Schoolin tutkijat ovat ratkaisseet biologien palapelin uudessa tutkimuksessa. He ovat löytäneet uuden luokan solun tunnistavia proteiineja, joiden avulla itiöt voivat havaita ympäristössään olevat ravintoaineet ja palauttaa nopeasti elinvoiman.
On todistettu, että nämä sensoriproteiinit ovat ionikanavia, jotka kulkevat solukalvon läpi ja pysyvät suljettuina lepotilan aikana, mutta avautuvat nopeasti, kun ne havaitsevat ravinteita. Kun nämä ionikanavat on avattu, ne päästävät varautuneita ioneja virtaamaan ulos solukalvon läpi, mikä käynnistää itiöiden suojakuoren irtoamisen ja käynnistää aineenvaihduntaprosessit vuosien tai jopa vuosisatojen lepotilan jälkeen. Nämä havainnot voivat auttaa suunnittelemaan tavan estää vaarallisia bakteeri-itiöitä lepotilasta kuukausia tai jopa vuosia ja heräämästä uudelleen, mikä johtaa taudin puhkeamiseen. Asiaankuuluvat tutkimustulokset julkaistiin Science-lehden 28. huhtikuuta 2023 ilmestyvässä numerossa otsikolla "Background spore Reduction Receivers are ravintoperäisiä ionikanavia".
David Rudner, artikkelin vastaava kirjoittaja ja mikrobiologian professori Bravatnik Institute of Harvard Medical Schoolissa, sanoi: "Tämä löytö on ratkaissut ongelman, joka on ollut olemassa yli vuosisadan. Kun bakteerijärjestelmät ovat lähes täysin suljettuina tässä suojaavassa tilassa. kuori, miten bakteerit havaitsevat muutokset ympäristössä ja ryhtyvät toimiin lepotilan katkaisemiseksi?"
Kuinka elvyttää lepotilassa olevia bakteereja
Selviytyäkseen epäsuotuisissa ympäristöolosuhteissa jotkut bakteerit siirtyvät lepotilaan ja muuttuvat itiöiksi. Biologiset prosessit keskeytyvät, ja niiden soluja ympäröivät useat suojakuoret. Nämä inertit suojakuoret antavat bakteerien odottaa nälänhädän loppua ja suojautua äärimmäiseltä kuumuudelta, kuivuudesta, ultraviolettisäteilystä, ärsyttäviltä kemikaaleilta ja antibiooteilta.
Yli vuosisadan tiedemiehet ovat tienneet, että kun itiöt havaitsevat ravinteita ympäristöstään, ne poistavat nopeasti suojakuorensa ja käynnistävät aineenvaihduntamoottorinsa uudelleen. Vaikka proteiinit, joiden avulla ne voivat havaita ravinteita, löydettiin lähes 50 vuotta sitten, herätyssignaalien välittämismenetelmä ja se, kuinka tämä signaali laukaisee bakteerien elpymisen, ovat edelleen mysteeri.
Useimmissa tapauksissa signaalin välitys perustuu metaboliseen aktiivisuuteen ja sisältää usein proteiineja koodaavia geenejä spesifisten signalointimolekyylien valmistamiseksi. Nämä prosessit ovat kuitenkin suljettuja lepotilassa olevissa bakteereissa, mikä herättää kysymyksen siitä, kuinka tämä signaali saa lepäävät bakteerit toipumaan.
Tässä uudessa tutkimuksessa Rudner ja hänen tiiminsä havaitsivat, että ravinteita tunnistava proteiini itse kootaan kanavaksi, jolloin bakteerisolut voivat alkaa toimia uudelleen. Reagoiessaan ravinteisiin tämä putki (kalvo-ionikanava) avautuu, jolloin ionit voivat virrata ulos itiöiden sisältä. Tämä käynnistää sarjan reaktioita, jolloin lepotilassa olevat solut poistavat suojakuorensa ja jatkavat kasvuaan.
Nämä kirjoittajat käyttivät erilaisia menetelmiä seuratakseen tämän mysteerin käänteitä. He käyttivät tekoälytyökaluja ennustaakseen tämän monimutkaisen laskostetun sensoriproteiinikompleksin rakenteen, joka koostuu viidestä kopiosta samaa tunnistusproteiinia. He soveltavat koneoppimista määrittääkseen tämän ionikanavan muodostavien alayksiköiden väliset vuorovaikutukset. He käyttivät myös genomin muokkaustekniikkaa saadakseen bakteerit tuottamaan sensoriproteiinimutantteja testatakseen, kuinka tietokonepohjainen ennustaminen toimii elävissä soluissa.
Rudner sanoi: "Yksi asia, josta pidän tieteessä, on se, että kun teet löydön, kaikki nämä merkityksettömät havainnot tulevat yhtäkkiä merkityksellisiksi. Se on kuin tehdessäsi palapeliä, löydät palapelin sijainnin, ja yhtäkkiä voit sovittaa nopeasti vielä kuusi palapelin palaa
Rudner kuvaili tässä tutkimuksessa löytöprosessia sarjaksi hämmentäviä havaintoja, jotka vähitellen muotoutuivat eri näkökulmia edustavan tutkijaryhmän yhteistyön ansiosta. Tämän prosessin aikana heillä oli jatkuvasti yllättäviä ja hämmentäviä havaintoja, jotka vihjasivat mahdottomalta vaikuttaviin kysymyksiin.
Vihjeiden yhdistäminen yhteen
Kun Rudner Laboratoryn tutkija Yongqiang Gao suoritti sarjan kokeita Bacillus subtiliksella, varhainen vihje tuli esiin. Gao lisäsi muiden itiöitä muodostavien bakteerien geenit Bacillus subtilikseen tutkiakseen ajatusta, että siten tuotetut yhteensopimattomat proteiinit häiritsisivät itiöiden itämistä. Yllätykseksensä Gao havaitsi, että joissakin tapauksissa lepotilassa olevat bakteeri-itiöt voivat heräillä täydellisesti käytettyään kaukaisista bakteereista peräisin olevia proteiineja.
Tämän tutkimuksen aikana Rudner Laboratoryn tohtori Lior Artzi selitti Gaon löydön. Jos tämäntyyppinen tunnistusproteiini on reseptori, se toimii kuin suljettu ovi ennen signaalin havaitsemista (tässä tapauksessa ravintoaineen, kuten sokerin tai aminohapon). Kun tällaiset tunnistavat proteiinit sitoutuvat ravintoaineisiin, ne avautuvat, jolloin ionit voivat virrata ulos itiöistä.
Toisin sanoen näiden bakteerien proteiinien, joilla on etäinen geneettinen sukulaisuus, ei tarvitse olla vuorovaikutuksessa yhteensopimattomien Bacillus subtiliksen itiöproteiinien kanssa, vaan ne reagoivat vain muutoksiin itiöiden sähköisessä tilassa, kun ionit alkavat virrata.
Rudner suhtautui aluksi skeptisesti tähän hypoteesiin, koska tällaiset reseptorit eivät sopineet tähän ominaisuuteen. Niillä ei juuri ole ionikanavien ominaisuuksia. Artzi kuitenkin uskoo, että tällaiset tunnistavat proteiinit voivat koostua useista alayksiköistä ja toimia yhdessä monimutkaisemmassa rakenteessa.
Tekoäly esittelee taitojaan
Rudner Laboratoryn tohtori Jeremy Amon on AlphaFoldin, tekoälytyökalun, joka voi ennustaa proteiinien ja proteiinikompleksien rakenteen, varhainen käyttäjä.
Tämä tekoälytyökalu ennustaa tietyn reseptorialayksikön muodostumisen pentameerirenkaaksi. Ennustettu rakenne sisältää keskellä sijaitsevan kanavan, joka päästää ionit kulkemaan itiön kalvon läpi. Tämän tekoälytyökalun ennustus osuu yhteen Artzin arvauksen kanssa.
Gao, Artzi ja Amon tekivät myöhemmin yhteistyötä testatakseen tätä tekoälyn luomaa mallia. He työskentelivät läheisessä yhteistyössä Rudner Labin tohtorintutkinnon suorittaneen Fernando Ram í rez Guadianan, Harvard Medical Schoolin biokemian ja molekyylifarmakologian professorin Andrew Krusen ja Harvard Medical Schoolin systeemibiologian apulaisprofessorin ja laskennallisen biologin Deborah Marksin kanssa.
He käyttivät muutettuja reseptorialayksiköitä modifioimaan itiöitä, joiden odotettiin laajentavan tätä kalvo-ionikanavaa, ja havaitsivat, että itiöt herääisivät ilman ravintosignaaleja. He puolestaan tuottivat mutatoituja reseptorialayksiköitä, joiden he ennustivat vähentävän ionikanavan huokoskokoa. Nämä itiöt eivät pystyneet avaamaan porttia ionien vapauttamiselle eivätkä kyenneet heräämään lepotilastaan, vaikka riittävät ravinteet saivat ne vapautumaan lepotilasta.
Toisin sanoen, pieni poikkeama laskostuneen aistivan proteiinikompleksin ennustetusta konfiguraatiosta voi saada ionireitin avautumaan tai sulkeutumaan, mikä tekee siitä hyödyttömän lepotilassa olevien bakteerien herättämisen työkaluna.
Vaikutus ihmisten terveyteen ja elintarviketurvallisuuteen
Rudner sanoi, että sen ymmärtäminen, kuinka lepotilassa olevat bakteerit voivat palauttaa elämän, ei ole vain houkutteleva henkinen haaste, vaan sillä on myös merkittävä vaikutus ihmisten terveyteen. Jotkut bakteerit, jotka voivat päästä syvään lepotilaan pitkäksi aikaa, ovat vaarallisia, jopa tappavia taudinaiheuttajia: valkoinen jauhemainen pernarutto-ase koostuu bakteeri-itiöistä.
Toinen vaarallinen itiöitä muodostava patogeeni on Clostridium difficile, joka aiheuttaa hengenvaarallista ripulia ja paksusuolentulehdusta. Clostridium difficile -infektion aiheuttamat sairaudet ilmaantuvat yleensä antibioottien käytön jälkeen, sillä ne voivat tappaa monia suoliston bakteereja, mutta niillä ei ole vaikutusta lepotilassa oleviin itiöihin. Hoidon jälkeen Clostridium difficile herää lepotilastaan ja voi lisääntyä suuria määriä, mikä usein johtaa katastrofaalisiin seurauksiin.
Itiöiden poistaminen on myös elintarvikkeiden jalostuslaitosten keskeinen haaste, sillä lepotilassa olevat bakteerit voivat vastustaa desinfiointikäsittelyä suojaavan kuorensa ja kuivuneen tilansa vuoksi. Jos desinfiointi ei onnistu, itiöiden itävyys ja kasvu voivat aiheuttaa vakavia ruokaperäisiä sairauksia ja valtavia taloudellisia menetyksiä.
Sen ymmärtäminen, kuinka itiöt havaitsevat ravinteita ja vapautuvat nopeasti lepotilasta, voivat auttaa tutkijoita kehittämään menetelmiä, jotka käynnistävät itiöiden itämisen aikaisemmin, mahdollisesti desinfioivat bakteerit tai estävät itiöiden itämisen, vangitsevat ne suojakuoriinsa, estävät kasvun, lisääntymisen ja aiheuttavat ruoan pilaantumista tai sairauksia.
