Acizii de suprafață sunt esențiali pentru forma și creșterea bacteriilor
Cercetătorii au descoperit modul în care acizii de la suprafața bacteriilor conferă acestor organisme microscopice forma caracteristică de „tub”, prin inhibarea unei enzime care, în absența acestora, ar transforma celulele cilindrice în forme amorfe.
Rezultatele, publicate în Nature Microbiology, oferă o nouă înțelegere a modului în care bacteriile își controlează creșterea și aduc informații despre natura celor mai vechi forme de viață de pe Pământ. Studiul sugerează, de asemenea, o strategie pentru a înfrunta rezistența la antibiotice, vizând acizii teicoici de perete, molecule enigmatice care acoperă suprafața anumitor bacterii.
Bacteriile au o varietate de forme, cele de tip „tub” fiind cele mai frecvente. Forma bacteriilor este importantă din punct de vedere medical, deoarece peretele celular – exoscheletul rigid al bacteriilor – determină forma celulei și este ținta principalelor antibiotice.
„Forma unei bacterii dictează modul în care crește, cum se divide și cum interacționează cu mediul său”, a declarat Felix Barber, care a condus această cercetare ca postdoctorand în cadrul Departamentului de Biologie al NYU și este acum profesor asistent la Universitatea de Stat din Ohio. „Înțelegerea factorilor care contribuie la formarea bacteriilor este importantă, deoarece acești factori sunt cei pe care dorim să-i inhibăm cu antibiotice.”
Bacillus subtilis (B. subtilis) este o bacterie de tip „tub” care se găsește în mod natural în sol și în intestin. Considerată o bacterie probiotice, B. subtilis este utilizată pentru a fabrica o gamă de alimente și produse utile, inclusiv delicatesa japoneză natto, antibiotice, acid hialuronic pentru îngrijirea pielii și produse agricole pentru stimularea creșterii plantelor și combaterea bolilor culturilor.
Peretele celular al B. subtilis și al altor bacterii Gram-pozitive este compus din două componente: peptidoglican, un strat de zaharuri și aminoacizi sintetizat în principal de grupuri de proteine numite complexe Rod, și molecule lungi polimerice denumite acizi teicoici de perete. Studiile arată că, atunci când acizii teicoici sunt eliminați din celulele B. subtilis, acestea își pierd forma de tub și devin forme amorfe. Totuși, în loc să moară, acestea cresc lent și stabil în această stare alternativă.
„De decenii știm că, dacă îndepărtezi acizii teicoici din bacteriile de tip tub, celulele devin forme amorfe, dar nu știam de ce. Studiul nostru rezolvă întrebarea de lungă durată privind modul în care acizii teicoici promovează forma de tub a acestor bacterii”, a afirmat Enrique Rojas.
Pentru a studia rolul acizilor teicoici în peretele celular al bacteriilor, cercetătorii au utilizat un microscop echipat cu un laser special capabil să urmărească molecule individuale. De asemenea, au folosit un sistem microscopic de plumbing denumit microfluidică pentru a captura celulele bacteriene și a îndepărta acizii teicoici, monitorizând în același timp mișcarea proteinelor care construiesc peretele celular.
„Am dezvoltat o metodă de a efectua chimie pe suprafața celulelor vii, în timp ce observăm biologia subcelulară în același timp, o tehnică pe care o numim ‘biochimie in situ’”, a spus Rojas.
Cercetătorii au descoperit că eliminarea acizilor teicoici din B. subtilis a oprit rapid complexe Rod și a eliberat simultan activitatea unei enzime numite PBP1, care, de obicei, joacă un rol minor în sinteza peretelui celular prin corectarea greșelilor făcute de complexe Rod. Aceasta a explicat de ce celulele s-au transformat în forme amorfe – deoarece complexe Rod întăresc peretele celular pe circumferința acestuia, practic transformând celula într-o formă de tub, în timp ce PBP1 sintetizează peptidoglican în direcții aleatorii, ceea ce duce la o formă amorfă.
Întrebarea următoare era cum acizii teicoici controlau proteinele. Deoarece se considera că PBP1 repară găurile din peretele celular, oamenii de știință s-au întrebat dacă aceasta prelua rolul complexelor Rod când lipsa acizilor teicoici expunea porii din peretele celular. Pentru a verifica acest lucru, au colaborat cu Zarina Akbary, un student la doctorat din laboratorul lui Rojas și coautor al studiului, care a dezvoltat o nouă metodă de a măsura porozitatea peretelui celular cu o rezoluție nanoscopică. Echipa a descoperit că găuri de dimensiuni nanometrice apăreau în câteva minute de la eliminarea acizilor teicoici.
„Studiul nostru abordează o funcție fundamentală a acizilor teicoici: aceștia pavează suprafața celulei astfel încât complexe Rod să nu cadă în gropile din peretele celular și PBP1 să nu reacționeze exagerat la defectele mici lăsate de complexe Rod”, a explicat Rojas.
Cresterea amorfă nu a fost determinată doar de PBP1 – ea a necesitat și enzima respectivă. În bacteriile care nu o aveau, lipsa acizilor teicoici a dus la subțierea peretelui celular, o creștere dramatică a porilor din peretele celular și o oprire completă a creșterii celulelor – totul păstrând forma de tub a bacteriei. Pe lângă PBP1, cercetătorii au descoperit că creșterea celulară fără acizii teicoici necesita, de asemenea, o a doua enzimă, LytE, care descompune peretele celular și este necesară pentru creșterea în formă de tub.
„Descoperirile noastre dezvăluie că creșterea fără acizi teicoici de perete este determinată de o combinație de PBP1 și LytE, ceea ce înseamnă că acizii teicoici reglează atât sinteza, cât și degradarea peretelui celular în B. subtilis. Celulele dispun de un mod complet diferit de creștere, condus de aceste enzime auxiliare, ca un plan de rezervă pentru când sunt tratate cu medicamente care inhibă sinteza acizilor teicoici”, a menționat Barber.
Cercetarea oferă indicii despre modul în care primele bacterii de pe Pământ, probabil lipsiți de o formă bine definită, au prosperat.
„Pentru Bacillus subtilis, creșterea amorfă necesită mult mai puține proteine decât creșterea în formă de tub. Celulele fără acizi teicoici ar putea, prin urmare, reprezenta un model pentru celule primordiale mai simple. Aceleași principii de bază care stau la baza proliferării celulelor fără acizi teicoici ar putea fi fost responsabile pentru proliferarea vieții timpurii de tip blob pe Pământ”, a declarat Barber.
Rezultatele ar putea avea implicații pentru multe alte bacterii, pe lângă B. subtilis. De exemplu, Listeria monocytogenes, o altă bacterie Gram-pozitivă de tip tub și un agent comun în bolile transmise prin alimente, își pierde, de asemenea, forma când acizii teicoici sunt eliminați. Studiile arată, de asemenea, că blocarea sintezei acizilor teicoici în Staphylococcus aureus rezistent la meticilină (MRSA) – cea mai notorie bacterie rezistentă la antibiotice – folosind un medicament antiplachetare aprobat de FDA poate readuce sensibilitatea acesteia la antibiotice.
