Μια τρισδιάστατη απεικόνιση του Bacillus anthracis, των βακτηρίων που σχηματίζουν σπόρους και προκαλούν τον άνθρακα. Ερευνητές της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ βρήκαν έναν κυτταρικό αισθητήρα που επιτρέπει στα βακτηριακά σπόρια να ανιχνεύουν θρεπτικά συστατικά και να αφυπνίζονται από τον λήθαργο. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει στην πρόληψη επικίνδυνων αδρανών βακτηρίων από το να προκαλέσουν εστίες.

 

Η έρευνα δίνει απαντήσεις στο μακροχρόνιο μυστήριο των βακτηριακών σπορίων, φωτίζοντας νέα μονοπάτια για την πρόληψη ασθενειών.

  • Τα αδρανή, κοιμισμένα βακτήρια – ή σπόρια – μπορούν να επιβιώσουν για χρόνια, ακόμη και αιώνες, χωρίς θρεπτικά συστατικά, αντιστέκονται στη θερμότητα, την υπεριώδη ακτινοβολία, τα αντιβιοτικά και άλλες σκληρές χημικές ουσίες.
  • Το πώς ξαναζωντανεύουν τα σπόρια ήταν ένα μυστήριο ενός αιώνα.
  • Νέα έρευνα προσδιορίζει πώς οι πρωτεΐνες αισθητήρων αναζωογονούν τα αδρανοποιημένα βακτήρια.
  • Το Discovery ανοίγει νέους δρόμους για την καταπολέμηση της αντοχής των σπορίων στα αντιβιοτικά και την αποστείρωση.
  • Τα ευρήματα μπορούν να ενημερώσουν νέες στρατηγικές για την πρόληψη λοιμώξεων και την αλλοίωση των τροφίμων.

Επιλύοντας ένα αίνιγμα που έχει μπερδέψει τους βιολόγους από τη στιγμή που τα βακτηριακά σπόρια – αδρανή, κοιμισμένα βακτήρια – περιγράφηκαν για πρώτη φορά πριν από περισσότερα από 150 χρόνια, ερευνητές στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ ανακάλυψαν ένα νέο είδος κυτταρικού αισθητήρα που επιτρέπει στα σπόρια να ανιχνεύουν την παρουσία θρεπτικών ουσιών στο περιβάλλον τους. και γρήγορα ξαναζωντανεύει.

Καλύτερα από τα αντιβιοτικά – Οι μεταμοσχεύσεις κοπράνων δείχνουν πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα στη θεραπεία λοιμώξεων που απειλούν τη ζωή(Ανοίγει σε νέα καρτέλα)

Αποδεικνύεται ότι αυτοί οι αισθητήρες διπλασιάζονται ως κανάλια μέσω της μεμβράνης και παραμένουν κλειστοί κατά τη διάρκεια του λήθαργου, αλλά ανοίγουν γρήγορα όταν ανιχνεύουν θρεπτικά συστατικά. Μόλις ανοίξουν, τα κανάλια επιτρέπουν στα ηλεκτρικά φορτισμένα ιόντα να ρέουν έξω μέσω της κυτταρικής μεμβράνης, θέτοντας σε κίνηση την αποβολή προστατευτικών στοιβάδων των σπορίων και την ενεργοποίηση των μεταβολικών διεργασιών μετά από χρόνια – ή και αιώνες – λήθαργου.

Τα ευρήματα της ομάδας, δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Επιστήμηθα μπορούσε να βοηθήσει στην ενημέρωση του σχεδιασμού τρόπων για την πρόληψη επικίνδυνων βακτηριακών σπόρων από το να μένουν αδρανείς για μήνες, ακόμη και χρόνια, προτού ξυπνήσουν ξανά και προκαλέσουν εστίες.

«Αυτή η ανακάλυψη λύνει έναν γρίφο που είναι περισσότερο από έναν αιώνα», δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης David Rudner, καθηγητής μικροβιολογίας στο Ινστιτούτο Blavatnik στο HMS. «Πώς αντιλαμβάνονται τα βακτήρια τις αλλαγές στο περιβάλλον τους και αναλαμβάνουν δράση για να βγουν από τον λήθαργο όταν τα συστήματά τους είναι σχεδόν εντελώς κλειστά μέσα σε ένα προστατευτικό περίβλημα;»

 

Πώς τα βακτήρια του ύπνου επανέρχονται στη ζωή

Για να επιβιώσουν από δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες, ορισμένα βακτήρια περνούν σε λήθαργο και γίνονται σπόρια, με βιολογικές διεργασίες να τίθενται σε αναμονή και στρώματα προστατευτικής θωράκισης γύρω από το κύτταρο.

Αυτά τα βιολογικά αδρανή μίνι φρούρια επιτρέπουν στα βακτήρια να περιμένουν περιόδους λιμού και να προστατεύονται από τις καταστροφές της υπερβολικής ζέστης, των ξηρών περιόδων, της υπεριώδους ακτινοβολίας, των σκληρών χημικών ουσιών και των αντιβιοτικών.

Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι όταν τα σπόρια εντοπίζουν θρεπτικά συστατικά στο περιβάλλον τους, αποβάλλουν γρήγορα τα προστατευτικά τους στρώματα και αναζωπυρώνουν τις μεταβολικές τους μηχανές. Αν και ο αισθητήρας που τους επιτρέπει να ανιχνεύουν θρεπτικά συστατικά ανακαλύφθηκε σχεδόν πριν από 50 χρόνια, τα μέσα παροχής του σήματος αφύπνισης και πώς αυτό το σήμα ενεργοποιεί την αναζωογόνηση των βακτηρίων παρέμενε μυστήριο.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, η σηματοδότηση βασίζεται στη μεταβολική δραστηριότητα και συχνά περιλαμβάνει γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες για να δημιουργήσουν συγκεκριμένα μόρια σηματοδότησης. Ωστόσο, όλες αυτές οι διεργασίες κλείνουν μέσα σε ένα αδρανές βακτήριο, εγείροντας το ερώτημα πώς το σήμα προκαλεί τα βακτήρια που κοιμούνται να ξυπνήσουν.

 

Σε αυτή τη μελέτη, ο Rudner και η ομάδα ανακάλυψαν ότι ο ίδιος ο αισθητήρας θρεπτικών συστατικών συναρμολογείται σε έναν αγωγό που ανοίγει το κύτταρο πίσω για δουλειά. Σε απόκριση στα θρεπτικά συστατικά, ο αγωγός, ένα κανάλι μεμβράνης, ανοίγει, επιτρέποντας στα ιόντα να διαφύγουν από το εσωτερικό των σπορίων. Αυτό ξεκινά έναν καταρράκτη αντιδράσεων που επιτρέπουν στο αδρανές κύτταρο να αποβάλει την προστατευτική του θωράκιση και να συνεχίσει την ανάπτυξη.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν πολλαπλούς τρόπους για να παρακολουθήσουν τις ανατροπές του μυστηρίου. Ανέπτυξαν εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης για να προβλέψουν τη δομή του περίπλοκα διπλωμένου συμπλέγματος αισθητήρων, μιας δομής που αποτελείται από πέντε αντίγραφα της ίδιας πρωτεΐνης αισθητήρα. Έκαναν αίτηση[{” attribute=””>machine learning to identify interactions between subunits that make up the channel. They also used gene-editing techniques to induce bacteria to produce mutant sensors as a way to test how the computer-based predictions played out in living cells.

«Αυτό που αγαπώ στην επιστήμη είναι όταν κάνεις μια ανακάλυψη και ξαφνικά όλες αυτές οι ανόμοιες παρατηρήσεις που δεν έχουν νόημα μπαίνουν ξαφνικά στη θέση τους», είπε ο Ράντνερ. «Είναι σαν να δουλεύεις πάνω σε ένα παζλ και βρίσκεις πού πηγαίνει ένα κομμάτι και ξαφνικά μπορείς να χωρέσεις άλλα έξι κομμάτια πολύ γρήγορα».

Ο Ρούντνερ περιέγραψε τη διαδικασία της ανακάλυψης σε αυτή την περίπτωση ως μια σειρά από συγκεχυμένες παρατηρήσεις που σιγά σιγά διαμορφώθηκαν, χάρη σε μια ομάδα ερευνητών με διαφορετικές προοπτικές που συνεργάστηκαν συνεργιστικά.

Δείτε πού ήταν το σπίτι σας την εποχή των δεινοσαύρων χρησιμοποιώντας αυτόν τον διαδραστικό χάρτη(Ανοίγει σε νέα καρτέλα)

Στην πορεία, συνέχισαν να κάνουν εκπληκτικές παρατηρήσεις που τους μπέρδευαν, υπαινιγμούς που πρότειναν απαντήσεις που δεν φαινόταν ότι θα μπορούσαν να είναι αληθινές.

Συνδέοντας τις ενδείξεις μεταξύ τους

Μια πρώιμη ένδειξη προέκυψε όταν ο Yongqiang Gao, ερευνητής του HMS στο εργαστήριο Rudner, διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων με το μικρόβιο Bacillus subtilis, που βρίσκεται συνήθως στο έδαφος και ξάδελφο του βακτηρίου που προκαλεί τον άνθρακα . Ο Gao εισήγαγε γονίδια από άλλα βακτήρια που σχηματίζουν σπόρια στο B. subtilis για να διερευνήσει την ιδέα ότι οι αταίριαστες πρωτεΐνες που παράγονται θα παρεμβαίνουν στη βλάστηση. Προς μεγάλη του έκπληξη, ο Gao διαπίστωσε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις τα βακτηριακά σπόρια ξαναξυπνούσαν άψογα με ένα σύνολο πρωτεϊνών από ένα μακρινό συγγενικό βακτήριο.

Ο Lior Artzi, ένας μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο εργαστήριο την εποχή αυτής της έρευνας, έδωσε μια εξήγηση για το εύρημα του Gao. Τι θα γινόταν αν ο αισθητήρας ήταν ένα είδος υποδοχέα που λειτουργεί σαν μια κλειστή πύλη μέχρι να ανιχνεύσει ένα σήμα, σε αυτήν την περίπτωση ένα θρεπτικό συστατικό όπως ένα σάκχαρο ή ένα αμινοξύ ; Μόλις ο αισθητήρας συνδεθεί με το θρεπτικό συστατικό, η πύλη ανοίγει, επιτρέποντας στα ιόντα να ρέουν έξω από τα σπόρια.

Με άλλα λόγια, οι πρωτεΐνες από απομακρυσμένα συγγενικά βακτήρια δεν θα χρειαζόταν να αλληλεπιδράσουν με αταίριαστες πρωτεΐνες σπορίων B. subtilis , αλλά απλώς να ανταποκριθούν στις αλλαγές στην ηλεκτρική κατάσταση του σπορίου καθώς τα ιόντα αρχίζουν να ρέουν.

 

Ο Rudner ήταν αρχικά σκεπτικιστής για αυτήν την υπόθεση επειδή ο υποδοχέας δεν ταίριαζε στο προφίλ. Δεν είχε σχεδόν κανένα από τα χαρακτηριστικά ενός διαύλου ιόντων. Αλλά ο Artzi υποστήριξε ότι ο αισθητήρας μπορεί να αποτελείται από πολλαπλά αντίγραφα της υπομονάδας που συνεργάζονται σε μια πιο περίπλοκη δομή.

Το AI έχει μπει στη συνομιλία

Ένας άλλος μεταδιδάκτορας, ο Jeremy Amon, ένας πρώιμος υιοθέτης του AlphaFold, ενός εργαλείου τεχνητής νοημοσύνης που μπορεί να προβλέψει τη δομή των πρωτεϊνών και των πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων, μελέτησε επίσης τη βλάστηση των σπορίων και ήταν έτοιμος να διερευνήσει τον αισθητήρα θρεπτικών συστατικών.

Το εργαλείο προέβλεψε ότι μια συγκεκριμένη υπομονάδα υποδοχέα συναρμολογείται σε έναν δακτύλιο πέντε μονάδων γνωστό ως πενταμερές. Η προβλεπόμενη δομή περιελάμβανε ένα κανάλι στη μέση που θα μπορούσε να επιτρέψει στα ιόντα να περάσουν μέσα από τη μεμβράνη του σπορίου. Η πρόβλεψη του εργαλείου AI ήταν ακριβώς αυτό που υποψιαζόταν ο Artzi.

Στη συνέχεια, ο Gao, ο Artzi και ο Amon συνεργάστηκαν για να δοκιμάσουν το μοντέλο που δημιουργήθηκε από την τεχνητή νοημοσύνη. Συνεργάστηκαν στενά με έναν τρίτο μεταδιδακτορικό, τον Fernando Ramírez-Guadiana και τις ομάδες του Andrew Kruse, καθηγητή Βιολογικής Χημείας και Μοριακής Φαρμακολογίας στο HMS, και την υπολογιστική βιολόγο Deborah Marks, αναπληρώτρια καθηγήτρια συστημάτων βιολογίας του HMS.

«Hangry» βακτήρια – Νέα έρευνα ρίχνει φως στην ασυνήθιστη συμπεριφορά(Ανοίγει σε νέα καρτέλα)

Κατασκεύασαν σπόρια με αλλοιωμένες υπομονάδες υποδοχέων που προβλεπόταν να διευρύνουν το κανάλι της μεμβράνης και βρήκαν ότι τα σπόρια ξύπνησαν απουσία θρεπτικών σημάτων. Από την άλλη πλευρά, δημιούργησαν μεταλλαγμένες υπομονάδες που προέβλεψαν ότι θα περιόριζαν το άνοιγμα του καναλιού. Αυτά τα σπόρια απέτυχαν να ανοίξουν την πύλη για να απελευθερώσουν ιόντα και να αφυπνιστούν από τη στάση παρουσία άφθονων θρεπτικών συστατικών για να τους εξαναγκάσουν να βγουν από τον λήθαργο.

Με άλλα λόγια, μια μικρή απόκλιση από την προβλεπόμενη διαμόρφωση του διπλωμένου συμπλέγματος θα μπορούσε να αφήσει την πύλη να κολλήσει ανοιχτή ή να κλείσει, καθιστώντας την άχρηστη ως εργαλείο για την αφύπνιση των αδρανών βακτηρίων.

Επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία και την ασφάλεια των τροφίμων

Η κατανόηση του πώς τα αδρανή βακτήρια επανέρχονται στη ζωή δεν είναι απλώς ένα διανοητικά δελεαστικό παζλ, είπε ο Rudner, αλλά ένα παζλ με σημαντικές επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία. Ορισμένα βακτήρια που μπορούν να περάσουν σε βαθύ λήθαργο για μεγάλα χρονικά διαστήματα είναι επικίνδυνα, ακόμη και θανατηφόρα παθογόνα: Η λευκή σε σκόνη μορφή του οπλισμένου άνθρακα αποτελείται από βακτηριακά σπόρια.

Ένα άλλο επικίνδυνο παθογόνο που σχηματίζει σπόρους είναι το Clostridioides difficile , το οποίο προκαλεί απειλητική για τη ζωή διάρροια και κολίτιδα. Η ασθένεια από το C. difficile εμφανίζεται συνήθως μετά τη χρήση αντιβιοτικών που σκοτώνουν πολλά εντερικά βακτήρια αλλά είναι άχρηστα έναντι των αδρανών σπορίων. Μετά τη θεραπεία, το C. difficile ξυπνά από τον λήθαργο και μπορεί να ανθίσει, συχνά με καταστροφικές συνέπειες.

 

Η εξάλειψη των σπορίων είναι επίσης μια κεντρική πρόκληση στις μονάδες επεξεργασίας τροφίμων, επειδή τα αδρανοποιημένα βακτήρια μπορούν να αντισταθούν στην αποστείρωση λόγω της προστατευτικής θωράκισης και της αφυδατωμένης κατάστασής τους. Εάν η αποστείρωση είναι ανεπιτυχής, η βλάστηση και η ανάπτυξη μπορεί να προκαλέσουν σοβαρές τροφιμογενείς ασθένειες και τεράστιες οικονομικές απώλειες.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα σπόρια αντιλαμβάνονται τα θρεπτικά συστατικά και εξέρχονται γρήγορα από τον λήθαργο μπορεί να επιτρέψει στους ερευνητές να αναπτύξουν τρόπους για να προκαλέσουν τη βλάστηση νωρίς, καθιστώντας δυνατή την αποστείρωση των βακτηρίων ή την παρεμπόδιση της βλάστησης, διατηρώντας τα βακτήρια παγιδευμένα μέσα στο προστατευτικό τους κέλυφος, ανίκανα να αναπτυχθούν, να αναπαραχθούν και να αλλοιώσουν τα τρόφιμα ή να προκαλέσει ασθένεια.

Αναφορά: «Οι υποδοχείς βλάστησης σπορίων βακτηρίων είναι δίαυλοι ιόντων που καλύπτονται από θρεπτικά συστατικά» από τους Yongqiang Gao, Jeremy D. Amon, Lior Artzi, Fernando H. Ramirez-Guadiana, Kelly P. Brock, Joshua C. Cofsky, Deborah S. Marks, Andrew C Amon Kruse και David Z. Rudner, 27 Απριλίου 2023 , Επιστήμη
DOI: 10.1126/science.adg9829

Επιπλέον συγγραφείς περιλαμβάνουν την Kelly Brock και τον Joshua Cofsky, του HMS.

Ένα τυχαίο γεγονός πριν από 1 εκατομμύριο χρόνια για πάντα(Ανοίγει σε νέα καρτέλα)

Η υποστήριξη για αυτήν την εργασία προέρχεται από τις επιχορηγήσεις των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας GM086466, GM127399, GM122512, AI171308 (DZR), AI164647 (DZR, ACK, DSM) και πόρους από την Πρωτοβουλία του Κοσμήτορα της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ. Η Amon χρηματοδοτήθηκε από την επιχορήγηση των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας F32GM130003. Ο Artzi ήταν μέλος του Ιδρύματος Simons του Ιδρύματος Ερευνών Επιστημών Ζωής.

 

Απάντηση