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 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. Były już również badania, które sugerowały, że formy przetrwalnikowe mogą czasem przetrwać 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" - informuje 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 1 gramie ludzkiego kału mniej więcej 10 tys. spor tej bakterii.

“Laseczka sienna jest bliską krewną wąglika (Bacillus anthracis), laseczki woskowej (Bacillus cereus), która powoduje zatrucia pokarmowe (może się znajdować np. w gotowanym ryżu lub makaronie przechowywanym zbyt długo) lub bardzo groźnej bakterii odpowiedzialnej za zakażenia szpitalne Clostridium difficile” - tłumaczy PAP 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 hab. Agata Starosta, której zespół zajął się właśnie tą tematyką.

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.

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. około dwie godziny 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, jak 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).

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt