Zbadano produkcję białek w bakterii wytwarzającej przetrwalnik

Bakteryjne przetrwalniki, czyli spory, to trudni przeciwnicy w walce z niektórymi patogenami. Naukowcy z IBB PAN zbadali więc, jakie białka są niezbędne bakteriom do wytworzenia spor i jak są one w komórce produkowane.

Badania wykonane na przykładzie sporulacji u bakterii laseczki siennej Bacillus subtilis rzucają światło na to, jak tworzyć skuteczniejsze metody walki z niektórymi bakteriami. Zespół z Pracowni Translatomiki Instytutu Biochemii i Biofizyki Polskiej Akademii Nauk dr hab. Agaty Starosty w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications” opisał dynamikę transkryptomu i translatomu (maszynerii produkującej białka) na przykładzie sporulacji bakterii laseczki siennej Bacillus subtilis.

Spore wyzwanie dla spor

Niektóre gatunki bakterii – przede wszystkim Gram-dodatnie – są zdolne do wytwarzania przetrwalnika. Jeśli warunki do życia bakterii się pogarszają – np. brakuje pokarmu czy wody – może ona wytworzyć tzw. sporę – „kapsułę do hibernacji”. W takiej formie bakteria może bezpiecznie trwać w oczekiwaniu na powrót warunków, w których „znów warto żyć”. Wtedy następuje tzw. kiełkowanie (czy też germinacja) i przetrwalnik zmienia się w komórkę bakteryjną, która może już zwyczajnie się namnażać.

Spory są niezwykle odporne na ekstremalne warunki środowiskowe: wysokie lub niskie temperatury (przeżyć mogą nawet parę godzin we wrzącej wodzie) czy promieniowanie. Odbyły się już także badania, które sugerowały, że formy przetrwalnikowe mogą czasem przeżyć bez pożywienia i wody przez setki tysięcy lat. Spory mogą przetrwać nawet na powierzchniach poddanych działaniu domowych detergentów czy alkoholu.

– Spory stanowią więc wyzwanie przy sterylizacji, a kontaminacja sporami może być problematyczna począwszy od przemysłu spożywczego poprzez medycynę, aż do misji kosmicznych. Dlatego też dokładne poznanie procesu sporulacji oraz jego regulacji na różnych poziomach jest bardzo ważne – powiedziała PAP dr Starosta z zespołem.

Bliska nam laseczka

Naukowcy z IBB PAN wzięli na warsztat bakterię Bacillus subtilis – laseczkę sienną. To pospolita bakteria występująca choćby w glebie. Powszechna jest też w przewodzie pokarmowym człowieka. W jednym gramie ludzkiego kału obecnych jest mniej więcej 10 tys. spor tej bakterii.

– Laseczka sienna jest bliską krewną wąglika (Bacillus anthracis), laseczki woskowej (Bacillus cereus), która powoduje zatrucia pokarmowe (może znajdować się np. w gotowanym ryżu lub makaronie przechowywanym zbyt długo), lub bardzo groźnej bakterii odpowiedzialnej za zakażenia szpitalne Clostridium difficile – tłumaczy dr Starosta.

Laseczka sienna służy naukowcom na całym świecie jako organizm modelowy w badaniach nad bakteriami Gram-dodatnimi. Jeśli chodzi o zrozumienie procesu tworzenia się spor (sporulacji), to na razie dość nieźle opisano już u tych bakterii regulację ekspresji genów na poziomie transkrypcji. Czyli wiadomo już, które fragmenty DNA przepisywane są kiedy na mRNA. Jednak nadal bardzo mało było wiadomo na temat tego, jak regulowana jest translacja podczas sporulacji, a więc jak – i gdzie – w komórce zachodzi wtedy produkcja białek w oparciu o informacje przepisane na mRNA z DNA. A także jaka jest rola rybosomu podczas tego wieloetapowego procesu tworzenia spory.

– A przecież translacja jest najbardziej metabolicznie wymagającym procesem w komórce bakteryjnej – mówi dr Agata Starosta.

Badacze zastosowali kombinację sekwencjonowania wysokoprzepustowego transkryptomów (RNA-seq) i translatomów (RIBO-seq, profilowanie rybosomów) oraz mikroskopii konfokalnej do monitorowania translatomu i maszynerii translacyjnej w czasie sporulacji. Ciekawostką było zastosowanie eksperymentów bazujących na chemii „klik” do obrazowania aktywnej syntezy białek przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej.

– W takich testach dostarcza się odpowiednio zmodyfikowany związek, który bierze udział w obserwowanym przez nas procesie, np. antybiotyk blokujący translację na rybosomie, a następnie do tej zmodyfikowanej cząsteczki dołączamy barwnik fluorescencyjny przy użyciu chemii „klik”. Dzięki temu z dużą selektywnością możemy obserwować, gdzie w komórce znajdują się aktywne rybosomy – tłumaczy współautorka badań dr Olga Iwańska.

Wnioski

Badacze śledzili lokalizację rybosomów oraz aktywną translację (biosyntezę białek) podczas sporulacji w B. subtilis. Ich wyniki wskazują, że translacja i maszyneria translacyjna są czasowo i przestrzennie zorganizowane w komórkach B. subtilis podczas sporulacji, szczególnie podczas asymetrycznego podziału komórki. Potwierdza to hipotezę o funkcjonalnie niesprzężonej transkrypcji i translacji u tej bakterii, a także pokazuje wysoki poziom organizacji wewnątrzkomórkowej bakterii.

Drugim ważnym wnioskiem z badań jest to, że translacja ulega dwóm osobnym zdarzeniom wyciszenia w trakcie sporulacji. Pierwsze wyciszenie następuje, kiedy komórka podejmuje decyzję o przystąpieniu do sporulacji, tj. ok. 2 godzin po indukcji sporulacji. Drugie natomiast zachodzi pod koniec sporulacji i bezpośrednio poprzedza przygotowanie do stanu uśpienia (dormancy).

– Szczególnie pierwsze wyciszenie translacji, bezpośrednio przed rozpoczęciem sporulacji, jest bardzo ciekawe, ponieważ może stanowić dobry cel dla przyszłych antybiotykoterapii – komentują badacze.

Autorzy m.in. pogrupowali geny o podobnych profilach ekspresji podczas całego procesu sporulacji.

– Otrzymaliśmy w ten sposób zintegrowany zbiór danych o transkrypcji i translacji, który pozwolił na zbadanie dynamiki ekspresji genów w czasie – opisuje współautor badań mgr Przemysław Latoch.

Praca powstała przy wsparciu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (grant First Team) oraz EMBO (Installation Grant).

Źródło: naukawpolsce.pl/Ludwika Tomala

Czytaj także: Wykorzystanie bakterii w leczeniu nowotworów – dotychczasowe osiągnięcia i potencjalne zastosowania kliniczne