Самые лучшие изображения раскрывают секреты супербактерий

Ученые из UCL сделали самые четкие изображения живых бактерий, которые показали сложную архитектуру защитного слоя, который окружает многие бактерии и усложняет их уничтожение антибиотиками.

Исследование показывает, что бактерии с защитными свойствами внешних слоев, называемые грамотрицательными бактериями, могут иметь более яркие и более темные пятна на своей поверхности.

Команда ученых обнаружила, что защитная внешняя мембрана бактерий содержит плотные сети из строительных блоков белка, чередующихся участками, которые, по-видимому, не содержат белков. Вместо этого пятна обогащены молекулами с сахарными цепями (гликолипидами), которые удерживают внешнюю мембрану плотной.

Это важное открытие, поскольку жесткая внешняя мембрана грамотрицательных бактерий препятствует проникновению некоторых лекарств и антибиотиков в клетку: эта внешняя мембрана является одной из причин, почему такие бактерии (в том числе A. baumannii, P. aeruginosa, Salmonella и E. coli) обладают устойчивостью к противомикробным препарата и в настоящее время считаются большей угрозой, чем грамположительные бактерии (также известные как MRSA).

«Наружная мембрана представляет собой серьезный барьер против антибиотиков и является важным фактором, делающим инфекционные бактерии устойчивыми к медицинскому лечению. Однако остается относительно неясным, как устроен этот барьер, поэтому мы решили изучить его так подробно», — пояснил автор работы профессор Барт Хугенбум (Лондонский центр нанотехнологий при UCL).

«Изучая живые бактерии от молекулярного до клеточного масштаба, мы можем увидеть, как мембранные белки образуют сеть, охватывающую всю поверхность бактерий, оставляя небольшие промежутки для участков, не содержащих белка. Это говорит о том, что в барьере могут быть более сильные и более слабые места, на которые могут воздействовать антибиотики».

Чтобы лучше понять эту архитектуру, ученые провели крошечной иглой по живым бактериям Escherichia coli (E. coli), таким образом «почувствовав» их общую форму. Поскольку кончик иглы имеет ширину всего несколько нанометров, это позволяет визуализировать молекулярные структуры на поверхности бактерий.

Полученные изображения показывают, что вся внешняя мембрана бактерий заполнена микроскопическими отверстиями, образованными белками, которые позволяют проникать питательным веществам, предотвращая попадание токсинов. Хотя было известно, что внешняя мембрана содержит много белков, такая их природа была неожиданной.

Удивительно, но на изображениях также было обнаружено множество пятен, которые, по-видимому, не содержали белков. Эти пятна содержат гликолипид, обычно обнаруживаемый на поверхности грамотрицательных бактерий. Кроме того, неровный участок другого типа образовывался, когда части мембраны вывернулись наизнанку из-за мутаций. В этом случае появление этих дефектов коррелировало с повышенной чувствительностью к бацитрацину, антибиотику, обычно эффективному только против грамположительных, но не против грамотрицательных бактерий.

«На снимке в учебнике бактериальной внешней мембраны показаны белки, распределенные по мембране неупорядоченным образом, хорошо смешанные с другими строительными блоками мембраны. Наши изображения демонстрируют, что это не так, липидные пятна отделены от богатых белком сетей, точно так же, как масло отделяется от воды, в некоторых случаях образуя щели в панцире бактерий. Этот новый взгляд на внешнюю мембрану означает, что теперь мы можем начать исследовать, имеет ли значение такой порядок для функции мембраны, целостности и устойчивости к антибиотикам».

Ученые также предполагают, что результаты могут помочь объяснить способы, с помощью которых бактерии могут поддерживать плотно упакованный защитный барьер, при этом обеспечивая быстрый рост: обычная бактерия E. coli удваивается в размерах, а затем делится за 20 минут при благоприятных условиях. Они предполагают, что гликолипидные пятна могут допускать большее растяжение мембраны, чем белковые сети, облегчая адаптацию мембраны к растущим размерам бактерий.

Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.