Budowa wici może prowadzić do lizy bakterii – naukowcy opisali rolę PBP1

Budowa wici bakteryjnej może stanowić zagrożenie dla integralności ściany komórkowej samej bakterii – wynika z badań naukowców z Indiana University prowadzonych na Bacillus subtilis. Badacze wykazali, że po ukończeniu jednego z elementów wici uruchamiany jest mechanizm prowadzący do aktywacji enzymów degradujących ścianę komórkową. W prawidłowych warunkach powstające uszkodzenia mogą być kompensowane przez PBP1, jednak przy braku tego białka ściana ulega degradacji, a komórka bakteryjna pęka i ginie. Wyniki opublikowano w Proceedings of the National Academy of Sciences.

Dlaczego budowa wici stanowi wyzwanie dla ściany komórkowej bakterii?

Naukowcy z Indiana University opisali wcześniej nierozpoznaną podatność związaną z procesem budowy wici bakteryjnej. Wić jest strukturą umożliwiającą bakteriom ruch, ale jej montaż wymaga przeprowadzenia kolejnych elementów przez ścianę komórkową. Badacze wykazali, że proces ten może powodować stres i uszkodzenia struktury chroniącej komórkę.

Ściana komórkowa bakterii tworzy wytrzymałą, siateczkowatą warstwę zawierającą peptydoglikan. Jej integralność ma zasadnicze znaczenie dla przetrwania komórki – zapobiega między innymi jej rozerwaniu wskutek napływu wody. Jest to zarazem struktura będąca celem działania wielu istniejących antybiotyków, w tym penicyliny.

Problem biologiczny związany z powstawaniem wici polega na tym, że bakteria musi zbudować dużą, złożoną strukturę przechodzącą przez własne osłony komórkowe, nie doprowadzając przy tym do ich nieodwracalnego uszkodzenia. Zrozumienie sposobu, w jaki bakterie rozwiązują ten problem, może ujawnić mechanizmy istotne również dla innych struktur bakteryjnych przekraczających ścianę komórkową.

Badania na Bacillus subtilis

Badania przeprowadzono w laboratorium Daniela Kearnsa, profesora biologii w College of Arts and Sciences at Indiana University Bloomington. Pracę współprowadzili Caroline Dunn i Kehinde Adebiyi z Department of Biology.

Eksperymenty koncentrowały się na Bacillus subtilis – nieszkodliwej bakterii glebowej, która jest od dawna wykorzystywana przez naukowców jako organizm modelowy do badania sposobu tworzenia złożonych struktur bakteryjnych.

Znaczenie analizowanego mechanizmu wykracza jednak poza sam model eksperymentalny. Jak wskazano w materiale prasowym, liczne bakterie chorobotwórcze, w tym szczepy E. coli, Salmonella i Listeria, wykorzystują obracającą się wić do poruszania się w płynach ustrojowych, docierania do tkanek i szerzenia zakażenia.

Dotychczas proponowano, że przechodzenie elementów wici przez ścianę może być możliwe dzięki temu, że jej struktura nie jest całkowicie jednorodna. W ścianie naturalnie występują szczeliny o różnej wielkości, a elementy tworzącej się wici miałyby odnajdywać miejsca dostatecznie szerokie, aby przez nie przejść. Dunn i Adebiyi postanowili bezpośrednio sprawdzić tę koncepcję.

Co wydarzyło się po usunięciu PBP1?

Badacze usunęli białko PBP1 uczestniczące w budowie ściany komórkowej. Zakładali, że białko to może w prawidłowych warunkach naprawiać niewielkie przerwy w ścianie, dlatego jego usunięcie mogłoby pozostawiać więcej otwartych przestrzeni, przez które mogłyby przechodzić elementy wici.

Rezultat był jednak przeciwny do oczekiwanego. Przy braku PBP1 bakterie zaczęły ginąć w dużej liczbie, a śmierć komórek była bezpośrednio związana z procesem budowy wici.

Caroline Dunn podkreśliła, że zespół spodziewał się raczej mniej kontrolowanego montażu wici niż efektu letalnego. Obserwacja pękania komórek w momencie powstawania wici wskazała badaczom, że ujawnili zależność, która wcześniej nie była dostrzegana.

Ukończenie haka wici uruchamia mechanizm degradacji ściany

Seria eksperymentów genetycznych pozwoliła badaczom prześledzić mechanizm prowadzący do śmierci komórki. Kluczowym etapem okazało się ukończenie elementu wici określanego jako hak.

Po zakończeniu budowy haka dochodzi do przełączenia programu genetycznego wewnątrz bakterii. Prowadzi to do aktywacji zestawu enzymów degradujących własną ścianę komórkową bakterii.

Częściowa degradacja ściany może być potrzebna do właściwego umiejscowienia wici i umożliwienia jej obrotu. Jednocześnie proces ten prowadzi do powstawania uszkodzeń wymagających naprawy. Według przedstawionego przez autorów mechanizmu ważną rolę ochronną odgrywa właśnie PBP1.

PBP1 ma naprawiać uszkodzenia w tempie pozwalającym zachować integralność ściany. Jeżeli jednak białka tego zabraknie, degradacja ściany postępuje szybciej, niż bakteria jest w stanie ją kompensować. Ostatecznie ściana traci integralność, komórka ulega rozerwaniu i ginie.

Wić może stać się źródłem podatności komórki bakteryjnej

Wyniki zmieniają sposób postrzegania związku między ruchem bakterii a utrzymaniem ich osłon komórkowych. Struktura analizowana przede wszystkim jako aparat umożliwiający przemieszczanie się bakterii okazuje się jednocześnie potencjalnym źródłem zagrożenia dla samej komórki.

Kehinde Adebiyi zwrócił uwagę, że montaż wici i utrzymanie ściany komórkowej są znacznie ściślej powiązane, niż wcześniej zakładano. Autorzy pracy podkreślają także, że w określonych warunkach wici – zazwyczaj niekojarzone z wpływem na przeżywalność komórki – mogą okazać się toksyczne dla bakterii, która je wytwarza.

Kluczowym elementem tego zjawiska jest zatem równowaga pomiędzy kontrolowanym naruszaniem struktury ściany, potrzebnym podczas montażu wici, a jednoczesną naprawą powstających uszkodzeń. W analizowanym modelu zaburzenie tej równowagi przez brak PBP1 prowadziło do lizy komórki.

Potencjalne znaczenie dla badań nad bakteriami chorobotwórczymi

Autorzy wskazują, że znaczenie obserwacji może wykraczać poza Bacillus subtilis. Wiele bakterii chorobotwórczych wytwarza duże struktury, które również muszą przechodzić przez ścianę komórkową. Dotyczy to między innymi struktur wykorzystywanych przez niektóre bakterie do wprowadzania toksyn do komórek człowieka.

Jeżeli budowa takich struktur wiąże się z podobnym ryzykiem dla integralności ściany, poznanie mechanizmów zabezpieczających bakterie przed samouszkodzeniem może wskazywać nowe kierunki badań nad ich podatnością. W materiale prasowym zaznaczono możliwość, że w przyszłości mechanizmy tego rodzaju mogłyby stać się punktem wyjścia do projektowania leków utrudniających bakteriom wytwarzanie struktur potrzebnych do przemieszczania się, inwazji i szerzenia zakażenia.

Jest to jednak perspektywa przyszłych badań, a nie informacja o gotowym celu terapeutycznym lub nowej metodzie leczenia. Opisane doświadczenia przeprowadzono na Bacillus subtilis, a materiał prasowy nie przedstawia badań klinicznych ani wyników zastosowania tej koncepcji w terapii zakażeń u ludzi.

Badania były wspierane przez granty National Institutes of Health przyznane Danielowi Kearnsowi oraz Indiana University Light Microscopy Imaging Center. Ośrodek ten zapewnił specjalistyczną mikroskopię wykorzystywaną podczas badań.