Naukowcy z University College London zarejestrowali niezwykle szczegółowy obraz żywych bakterii, ujawniając złożoną budowę zewnętrznej błony ochronnej, która jest charakterystyczna dla bakterii Gram-ujemnych i stanowi barierę dla antybiotyków, utrudniając leczenie. Badania te wskazują na słabe punkty w błonie bakterii, które będzie można wykorzystać w nowych terapiach.
Bakterie Gram-ujemne, takie jak chociażby bakterie Escherichia coli, mają błony zewnętrzne, które czynią je szczególnie trudnymi do pokonania. Działa ona jak dodatkowa bariera przed wszelkiego rodzaju atakami i blokuje działanie antybiotyków. To dlatego bakterie Gram-ujemne znajdują się na szczycie listy opracowanej przez Światową Organizację Zdrowia, dotyczącej najniebezpieczniejszych patogenów, na które pilnie trzeba znaleźć leki.
Naukowcy z University College London (UCL) we współpracy z kolegami z National Physical Laboratory, King's College London, University of Oxford i Princeton University wykorzystali mikroskop sił atomowych, który umożliwia uzyskanie obrazu z rozdzielczością rzędu wymiarów pojedynczego atomu, by przyglądnąć się „skórze” bakterii Escherichia coli, zaglądając w głąb struktury tej membrany i ujawniając więcej szczegółów niż kiedykolwiek wcześniej. Swoje odkrycia opisali na łamach pisma „Proceedings of the National Academy of Sciences” (DOI: 10.1073/pnas.2112237118).
- Zewnętrzna błona stanowi potężną barierę dla antybiotyków i jest ważnym czynnikiem uodparniającym bakterie zakaźne na leczenie. Dotychczas pozostawało stosunkowo niejasne, w jaki sposób ta bariera jest zbudowana, dlatego zdecydowaliśmy się zbadać ją tak szczegółowo - wyjaśnił Bart Hoogenboom z UCL, jeden z autorów publikacji.
Zespół badaczy odkrył, że zewnętrzna błona ochronna bakterii nie jest jednorodna. Uzyskany obraz pokazał gęstą sieć białek w warstwie lipidowej na powierzchni błony poprzetykaną miejscami, które wydają się nie zawierać białek. Zamiast tego „łaty” te w swojej strukturze mają glikolipidy, które utrzymują szczelność błony zewnętrznej.
To ważne odkrycie, ponieważ zewnętrzna błona bakterii Gram-ujemnych zapobiega przenikaniu niektórych leków i antybiotyków do wnętrza i jest jednym z powodów oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe takich bakterii. Bakterie Gram-ujemne są obecnie uważane za większe zagrożenie niż bakterie Gram-dodatnie, takie jak oporny na metycylinę gronkowiec złocisty, znany również jako MRSA.
- Badając żywe bakterie w skali molekularnej i komórkowej możemy zobaczyć, jak białka błonowe tworzą sieć, która obejmuje całą powierzchnię bakterii, pozostawiając jednak w tej sieci drobne luki, które nie zawierają białka. Sugeruje to, że bariera ta może nie być równomiernie trwała, może mieć silniejsze i słabsze punkty. Te słabsze mogą stać się celem dla antybiotyków – podkreślił Hoogenboom.
Obrazowanie, które zostało uznane przez autorów za najbardziej szczegółowy obraz żywej bakterii, jaki kiedykolwiek powstał, pokazało, że cała zewnętrzna błona bakterii jest wypełniona mikroskopijnymi otworami utworzonymi przez białka, które umożliwiają wnikanie składników odżywczych, jednocześnie zapobiegając przenikaniu toksyn. Pokazało też wiele miejsc na powierzchni błony, które są pozbawione białek.
- Podręcznikowy obraz zewnętrznej błony bakteryjnej sugeruje białka rozmieszczone w błonie w nieuporządkowany sposób, dobrze wymieszane z innymi elementami budulcowymi błony. Nasze obrazy pokazują, że tak nie jest, że „plamy” lipidowe są oddzielone od sieci bogatych w białko, tak jak olej oddziela się od wody, w niektórych przypadkach tworząc szczeliny w pancerzu bakterii. Oznacza to, że możemy teraz zacząć badać, czy takie akurat rozmieszczenie białek i „łat” ma znaczenie dla funkcji błony, jej integralności i oporności na antybiotyki – wyjaśniła Georgina Benn, która wykonała badanie mikroskopijne na bakteriach w laboratorium profesora Hoogenbooma w UCL.
Zespół spekuluje również, że odkrycia mogą pomóc wyjaśnić sposoby, dzięki którym bakterie mogą utrzymywać ciasno upakowaną barierę ochronną, jednocześnie pozwalającą na szybki wzrost. Pospolita bakteria Escherichia coli podwaja swoją wielkość, a następnie dzieli się w ciągu 20 minut w sprzyjających warunkach. Badacze sugerują, że łaty glikolipidowe mogą umożliwiać większą rozciągliwość błony niż sieci białkowe, ułatwiając jej przystosowanie się do powiększających się gabarytów bakterii. Naukowcy chcą teraz skupić się na badaniach, jak wykorzystać zdobytą wiedzę do odnalezienia sposobu na przechytrzenie obrony Gram-ujemnych bakterii.
Źródło: University College London, fot. Benn et al. UCL. Na zdjęciu uzyskany przez badaczy z UCL obraz mikroskopowy żywej bakterii Escherichia coli, ukazujący niejednolity charakter jej ochronnej błony. Gęsto upakowana sieć białek jest przerywana gładkimi, pozbawionymi białka wyspami (oznaczonymi przerywanymi liniami).
