Rešavajući zagonetku koja je zbunila biologe otkako su bakterijske spore — inertne, spavajuće bakterije — prvi put opisane pre više od 150 godina, istraživači sa Harvardske medicinske škole otkrili su novu vrstu ćelijskog senzora koji sporama omogućava da otkriju prisustvo hranljivih materija u svom okruženju. i brzo se vraćaju u život.
Ispostavilo se da se ovi senzori udvostručuju kao kanali kroz membranu i ostaju zatvoreni tokom mirovanja, ali se brzo otvaraju kada otkriju hranljive materije. Kada se jednom otvore, kanali omogućavaju električnim naelektrisanim jonima da izlaze kroz ćelijsku membranu, pokrećući odlaganje zaštitnih slojeva spora i uključivanje metaboličkih procesa nakon godina – ili čak vekova – mirovanja.
Nalazi tima, objavljeni 28. aprila u časopisu Science, mogli bi da pomognu u dizajniranju načina da se spreči da opasne bakterijske spore leže u mirovanju mesecima, čak i godinama, pre nego što se ponovo probude i izazovu epidemije.
„Ovo otkriće rešava zagonetku staru više od jednog veka“, rekao je viši autor studije Dejvid Rudner, profesor mikrobiologije na Institutu Blavatnik pri HMS. „Kako bakterije osećaju promene u svom okruženju i preduzimaju mere da se izvuku iz stanja mirovanja kada su njihovi sistemi skoro potpuno zatvoreni unutar zaštitnog kućišta?“
Da bi preživele nepovoljne uslove životne sredine, neke bakterije prelaze u stanje mirovanja i postaju spore, a biološki procesi se zaustavljaju i slojevi zaštitnog oklopa oko ćelije.
Ove biološki inertne mini tvrđave omogućavaju bakterijama da sačekaju periode gladi i da se zaštite od razaranja ekstremnih vrućina, sušnih perioda, UV zračenja, jakih hemikalija i antibiotika.
Više od jednog veka naučnici su znali da kada spore otkriju hranljive materije u svom okruženju, one brzo odbacuju svoje zaštitne slojeve i ponovo zapaljuju svoje metaboličke motore. Iako je senzor koji im omogućava da detektuju hranljive materije otkriven pre skoro 50 godina, načini za isporuku signala za buđenje i kako taj signal pokreće oživljavanje bakterija ostali su misterija.
U većini slučajeva, signalizacija se oslanja na metaboličku aktivnost i često uključuje gene koji kodiraju proteine da bi napravili specifične signalne molekule. Međutim, svi ovi procesi su isključeni unutar uspavane bakterije, što postavlja pitanje kako signal podstiče usnulu bakteriju da se probudi.
U ovoj studiji, Rudner i tim su otkrili da se senzor nutrijenata sam sastavlja u cev koji otvara ćeliju za povratak za posao. Kao odgovor na hranljive materije, otvara se cev, membranski kanal, omogućavajući jonima da pobegnu iz unutrašnjosti spora. Ovo pokreće kaskadu reakcija koje omogućavaju uspavanoj ćeliji da skine svoj zaštitni oklop i nastavi rast.
Naučnici su koristili više puta da prate preokrete misterije. Oni su primenili alate veštačke inteligencije da predvide strukturu složenog senzorskog kompleksa, strukture napravljene od pet kopija istog proteina senzora. Oni su primenili mašinsko učenje da identifikuju interakcije između podjedinica koje čine kanal. Takođe su koristili tehnike za uređivanje gena kako bi podstakli bakterije da proizvode mutantne senzore kao način da testiraju kako se kompjuterska predviđanja odigravaju u živim ćelijama.
„Ono što volim u nauci je kada dođete do otkrića i odjednom sva ta različita zapažanja koja nemaju smisla odjednom padaju na svoje mesto“, rekao je Rudner. „Kao da radite na slagalici i nađete gde ide jedan deo i odjednom možete vrlo brzo da stavite još šest delova.“
Rudner je opisao proces otkrića u ovom slučaju kao niz zbunjujućih zapažanja koja su se polako oblikovala, zahvaljujući timu istraživača sa različitim perspektivama koji rade zajedno na sinergiji.
Usput su davali iznenađujuća zapažanja koja su ih zbunjivala, nagoveštaje koji su sugerisali odgovore koji nisu izgledali kao da bi mogli biti istiniti.
Jedan rani trag se pojavio kada je Iongkiang Gao, istraživač HMS-a u laboratoriji Rudner, sprovodio seriju eksperimenata sa mikrobom Bacillus subtilis, koji se obično nalazi u zemljištu i rođakom bakterije koja izaziva antraks. Gao je uveo gene iz drugih bakterija koje formiraju spore u B. subtilis da bi istražio ideju da bi neusklađeni proteini koji se stvaraju ometali klijanje. Na njegovo veliko iznenađenje, Gao je otkrio da su se u nekim slučajevima bakterijske spore ponovo besprekorno probudile sa setom proteina iz udaljene bakterije.
Lior Artzi, postdoktorski saradnik u laboratoriji u vreme ovog istraživanja, došao je do objašnjenja za Gaov nalaz. Šta ako je senzor neka vrsta receptora koji deluje kao zatvorena kapija dok ne otkrije signal, u ovom slučaju hranljivi sastojak poput šećera ili aminokiseline? Jednom kada se senzor veže za hranljivu materiju, kapija se otvara, omogućavajući jonima da izađu iz spore.
Drugim rečima, proteini iz udaljenih bakterija ne bi morali da stupaju u interakciju sa neusklađenim proteinima spora B. subtilis, već jednostavno reaguju na promene u električnom stanju spora kako joni počnu da teku.
Rudner je u početku bio skeptičan prema ovoj hipotezi jer receptor nije odgovarao profilu. Gotovo da nije imao nikakve karakteristike jonskog kanala. Ali Artzi je tvrdio da bi senzor mogao biti sastavljen od više kopija podjedinice koje rade zajedno u složenijoj strukturi.
Drugi postdoktor, Džeremi Amon, koji je rano usvojio AlphaFold, AI alat koji može da predvidi strukturu proteina i proteinskih kompleksa, takođe je proučavao klijanje spora i bio je pripremljen da istraži senzor hranljivih materija.
Alat je predvideo da se određena podjedinica receptora sastavlja u prsten od pet jedinica poznat kao pentamer. Predviđena struktura je uključivala kanal u sredini koji bi mogao da omogući jonima da prođu kroz membranu spore. Predviđanje AI alata bilo je upravo ono na šta je Artzi sumnjao.
Gao, Artzi i Amon su se zatim udružili da testiraju model generisan veštačkom inteligencijom. Blisko su sarađivali sa trećim postdoktorom, Fernandom Ramirezom-Gvadijanom i grupama Andreva Krusea, profesora biološke hemije i molekularne farmakologije u HMS-u, i kompjuterskog biologa Deborah Marks, vanrednog profesora sistemske biologije HMS-a.
Oni su konstruisali spore sa izmenjenim podjedinicama receptora za koje je predviđeno da prošire membranski kanal i otkrili da su se spore probudile u odsustvu signala hranljivih materija. Sa druge strane, generisali su mutantne podjedinice za koje su predvideli da će suziti otvor kanala. Ove spore nisu uspele da otvore kapiju da oslobode jone i probude se iz zastoja u prisustvu dovoljno hranljivih materija kako bi ih izvukle iz mirovanja.
Drugim rečima, blago odstupanje od predviđene konfiguracije presavijenog kompleksa moglo bi ostaviti kapiju otvorenu ili zatvorenu, čineći je beskorisnom kao sredstvo za buđenje uspavanih bakterija.
Razumevanje kako se uspavane bakterije vraćaju u život nije samo intelektualno primamljiva zagonetka, rekao je Rudner, već i ona sa važnim implikacijama na ljudsko zdravlje. Brojne bakterije koje su sposobne da uđu u duboko mirovanje tokom perioda su opasne, čak i smrtonosni patogeni: praškasti beli oblik naoružanog antraksa sastoji se od bakterijskih spora.
Još jedan opasan patogen koji stvara spore je Clostridioides difficile, koji izaziva dijareju i kolitis opasnu po život. Bolest od C. difficile se obično javlja nakon upotrebe antibiotika koji ubijaju mnoge crevne bakterije, ali su beskorisni protiv uspavanih spora. Nakon tretmana, C. difficile se budi iz mirovanja i može da cveta, često sa katastrofalnim posledicama.
Iskorenjivanje spora je takođe centralni izazov u postrojenjima za preradu hrane, jer uspavane bakterije mogu da se odupru sterilizaciji zbog svog zaštitnog oklopa i dehidriranog stanja. Ako sterilizacija nije uspešna, klijanje i rast mogu izazvati ozbiljne bolesti koje se prenose hranom i ogromne finansijske gubitke.
Razumevanje kako spore osećaju hranljive materije i brzo izlaze iz stanja mirovanja može omogućiti istraživačima da razviju načine za rano pokretanje klijanja, omogućavajući sterilizaciju bakterija ili blokiranje klijanja, zadržavajući bakterije zarobljene unutar svojih zaštitnih školjki, nesposobne da rastu, razmnožavaju se i pokvare hranu. ili izazvati bolest.
