Siden folk første gang beskrev bakteriesporer - inerte, slumrende bakterier - for mere end 150 år siden, har forskere fra Harvard Medical School i USA løst et puslespil for biologer i et nyt studie. De har opdaget en ny klasse af cellefølende proteiner, der gør det muligt for sporer at detektere næringsstoffer til stede i deres miljø og hurtigt genoprette vitalitet.
Det er blevet bevist, at disse sanseproteiner er ionkanaler, der passerer gennem cellemembranen og forbliver lukkede under dvale, men åbner sig hurtigt, når de opdager næringsstoffer. Når de er åbnet, tillader disse ionkanaler ladede ioner at strømme ud gennem cellemembranen, hvilket initierer den beskyttende skal, der udskilles af sporer og initierer metaboliske processer efter år eller endda århundreders dvale. Disse resultater kan hjælpe med at designe en måde at forhindre farlige bakteriesporer i at hvile i måneder eller endda år og vågne op igen, hvilket fører til sygdomsudbrud. De relevante forskningsresultater blev offentliggjort i 28. april 2023-udgaven af tidsskriftet Science med titlen "Background spore reduction receivers are nutrient gated ion channels".
David Rudner, den tilsvarende forfatter til papiret og professor i mikrobiologi ved Bravatnik Institute of Harvard Medical School, sagde: "Denne opdagelse har løst et problem, der har eksisteret i mere end et århundrede. Når bakteriesystemer er næsten helt lukkede i denne beskyttende shell, hvordan opfatter bakterier ændringer i miljøet og griber ind for at bryde dvale?"
Sådan genoplives sovende bakterier
For at overleve under ugunstige miljøforhold går nogle bakterier ind i en sovende tilstand og bliver til sporer. Biologiske processer er suspenderet, og deres celler er omgivet af flere lag af beskyttende skaller. Disse inerte beskyttende skaller tillader bakterier at vente på slutningen af hungersnød og beskytte sig selv mod ekstrem varme, tørke, ultraviolet stråling, irriterende kemikalier og antibiotika.
I over et århundrede har videnskabsmænd vidst, at når sporer opdager næringsstoffer i deres miljø, fjerner de hurtigt deres beskyttende skaller og tænder deres stofskiftemotorer igen. Selvom de sanseproteiner, der gør dem i stand til at opdage næringsstoffer, blev opdaget for næsten 50 år siden, er metoden til at transmittere vågnesignaler, og hvordan dette signal udløser bakteriel genopretning, stadig et mysterium.
I de fleste tilfælde er signaltransduktion afhængig af metabolisk aktivitet og involverer ofte gener, der koder for proteiner til fremstilling af specifikke signalmolekyler. Disse processer er dog lukket i sovende bakterier, hvilket rejser spørgsmålet om, hvordan dette signal får sovende bakterier til at komme sig.
I denne nye undersøgelse fandt Rudner og hans team ud af, at det næringsstofregistrerende protein i sig selv samler sig i en kanal, hvilket tillader bakterieceller at begynde at arbejde igen. Når den reagerer på næringsstoffer, åbnes denne rørledning (en membran-ionkanal) og lader ioner strømme ud inde fra sporerne. Dette igangsætter en række reaktioner, der får sovende celler til at fjerne deres beskyttende skal og genoptage væksten.
Disse forfattere brugte forskellige metoder til at spore drejningerne i dette mysterium. De implementerede kunstig intelligens-værktøjer til at forudsige strukturen af dette komplekse foldede sensing-proteinkompleks, bestående af fem kopier af det samme sensing-protein. De anvender maskinlæring til at bestemme interaktionerne mellem underenhederne, der udgør denne ionkanal. De brugte også genomredigeringsteknologi til at få bakterier til at producere sensorproteinmutanter for at teste, hvordan computerbaseret forudsigelse fungerer i levende celler.
Rudner sagde: "En ting, jeg godt kan lide ved videnskaben, er, at når du gør en opdagelse, bliver alle disse irrelevante observationer pludselig meningsfulde. Det er ligesom, når du laver et puslespil, finder du placeringen af et puslespil, og pludselig kan du hurtigt passe ind. yderligere seks puslespilsbrikker
Rudner beskrev opdagelsesprocessen i denne undersøgelse som en række forvirrende observationer, der gradvist tog form, takket være en gruppe forskeres samarbejde med forskellige perspektiver. Under denne proces havde de konstant overraskende og forvirrende observationer, som antydede nogle tilsyneladende umulige svar.
Splejser ledetråde sammen
Da Rudner Laboratory-forsker Yongqiang Gao udførte en række eksperimenter med Bacillus subtilis, dukkede et tidligt spor op. Gao introducerede generne fra andre sporedannende bakterier i Bacillus subtilis for at udforske ideen om, at de umatchede proteiner, der produceres derved, ville interferere med sporespiring. Til sin overraskelse fandt Gao ud af, at i nogle tilfælde kan sovende bakteriesporer perfekt vågne efter at have brugt et sæt proteiner fra fjerne bakterier.
Under denne undersøgelse gav Rudner Laboratoriets postdoc Lior Artzi en forklaring på Gaos opdagelse. Hvis denne type sanseprotein er en receptor, fungerer den som en lukket dør, før den registrerer et signal (i dette tilfælde et næringsstof som sukker eller aminosyre). Når sådanne sanseproteiner binder til næringsstoffer, vil de åbne sig, hvilket tillader ioner at strømme ud af sporerne.
Med andre ord behøver disse proteiner fra bakterier med fjerne genetiske forhold ikke at interagere med umatchede sporeproteiner fra Bacillus subtilis, men reagerer kun på ændringer i sporernes elektriske tilstand, når ioner begynder at strømme.
Rudner havde oprindeligt en skeptisk holdning til denne hypotese, da sådanne receptorer ikke passede til denne egenskab. De har næsten ingen egenskaber ved ionkanaler. Artzi mener dog, at sådanne sanseproteiner kan være sammensat af flere underenheder og arbejde sammen i en mere kompleks struktur.
Kunstig intelligens viser sine færdigheder
Rudner Laboratory postdoc Jeremy Amon er en tidlig bruger af AlphaFold, et kunstig intelligensværktøj, der kan forudsige strukturen af proteiner og proteinkomplekser.
Dette kunstige intelligensværktøj forudsiger samlingen af en specifik receptorunderenhed til en pentamerring. Den forudsagte struktur inkluderer en kanal placeret i midten, der tillader ioner at passere gennem sporens membran. Forudsigelsen af dette kunstige intelligensværktøj falder sammen med Artzis gæt.
Gao, Artzi og Amon samarbejdede efterfølgende om at teste denne kunstig intelligens genererede model. De arbejdede tæt sammen med den postdoktorale Fernando Ram í rez Guadiana fra Rudner Lab, Andrew Kruse, professor i biokemi og molekylær farmakologi ved Harvard Medical School, og Deborah Marks, lektor i systembiologi og beregningsbiolog fra Harvard Medical School.
De brugte de ændrede receptorunderenheder til at modificere sporerne, som forventedes at udvide denne membranionkanal og fandt ud af, at sporerne ville vågne uden næringsstofsignaler. Til gengæld producerede de muterede receptorunderenheder, som de forudsagde ville reducere porestørrelsen af ionkanalen. Disse sporer formåede ikke at åbne porten for at frigive ioner og var ude af stand til at vågne fra deres hviletilstand, selv når tilstrækkelige næringsstoffer fik dem til at bryde fri fra hviletilstand.
Med andre ord kan en lille afvigelse fra den forudsagte konfiguration af det foldede sensing proteinkompleks få ionvejen til at åbne eller lukke, hvilket gør den ubrugelig som et værktøj til at vække sovende bakterier.
Indvirkning på menneskers sundhed og fødevaresikkerhed
Rudner sagde, at forståelsen af, hvordan sovende bakterier kan genoprette liv, ikke kun er en fristende intellektuel udfordring, men også har en betydelig indvirkning på menneskers sundhed. Nogle bakterier, der kan gå ind i en dyb hvilende tilstand i lang tid, er farlige, endda dødelige patogener: Det hvide pulverformige miltbrandvåben er sammensat af bakteriesporer.
Et andet farligt patogen, der danner sporer, er Clostridium difficile, som forårsager livstruende diarré og colitis. Sygdomme forårsaget af Clostridium difficile-infektion opstår normalt efter brug af antibiotika, som kan dræbe mange tarmbakterier, men ikke har nogen effekt på hvilende sporer. Efter behandling vågner Clostridium difficile fra sin dvaletilstand og kan formere sig i store mængder, hvilket ofte resulterer i katastrofale konsekvenser.
Eliminering af sporer er også en kerneudfordring for fødevareforarbejdningsanlæg, da sovende bakterier kan modstå desinfektionsbehandling på grund af deres beskyttende skal og dehydrerede tilstand. Hvis desinfektion ikke lykkes, kan sporespiring og vækst forårsage alvorlige fødevarebårne sygdomme og store økonomiske tab.
At forstå, hvordan sporer opfatter næringsstoffer og hurtigt bryder fri fra dvale, kan gøre det muligt for forskere at udvikle metoder, der udløser sporespiring tidligere, potentielt desinficerer bakterier eller forhindrer sporespiring, fanger dem i deres beskyttende skaller, forhindrer vækst, spredning og forårsager fødevarefordærvelse eller sygdom.
