کشف چگونگی فعال شدن اسپورهای باکتریایی

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، محققان دانشکده پزشکی هاروارد با حل معمایی که زیست شناسان را گیج کرده است، از زمانی که اسپورهای باکتریایی خنثی شده و باکتری های خواب برای اولین بار بیش از 150 سال پیش توصیف شدند، نوع جدیدی از حسگر سلولی را کشف کردند که به اسپورها اجازه می دهد تا حضور مواد مغذی را در محیط خود تشخیص دهند و به سرعت به زندگی خود بازگردند.

به نظر می رسد که این حسگرها به عنوان کانال هایی در غشاء قرار می گیرند و در طول خواب بسته می مانند، اما هنگامی که مواد مغذی را تشخیص می دهند به سرعت باز می شوند. پس از باز شدن، کانال ها به یون های باردار الکتریکی اجازه می دهند تا از غشای سلولی خارج شوند و باعث می شوند که لایه های اسپور محافظ و فرآیندهای متابولیک پس از سال ها یا حتی قرن ها خواب فعال شوند.

یافته های این تیم که در 28 آوریل در Science منتشر شد، می تواند به طراحی راه هایی برای جلوگیری از خوابیدن هاگ های باکتریایی خطرناک برای ماه ها، حتی سال ها، قبل از بیدار شدن دوباره و ایجاد شیوع کمک کند.

دیوید رودنر، نویسنده ارشد این مطالعه، استاد میکروبیولوژی در موسسه بلاواتنیک در HMS، گفت: این کشف معمایی را حل می کند که بیش از یک قرن قدمت دارد. چگونه باکتری ها تغییرات محیط خود را حس می کنند و زمانی که سیستم هایشان تقریباً به طور کامل در یک محفظه محافظ خاموش می شود، از حالت خواب خارج شوند؟

برای زنده ماندن در شرایط نامطلوب محیطی، برخی از باکتری ها با فرآیندهای بیولوژیکی متوقف شده و لایه هایی از زره محافظ در اطراف سلول به خواب رفته و به اسپور تبدیل می شوند.

برای بیش از یک قرن، دانشمندان می دانستند که وقتی اسپورها مواد مغذی را در محیط خود تشخیص می دهند، به سرعت لایه های محافظ خود را می ریزند و موتورهای متابولیک خود را دوباره روشن می کنند. اگرچه سنسوری که آنها را قادر می سازد مواد مغذی را تشخیص دهند تقریباً 50 سال پیش کشف شد، اما ابزار ارسال سیگنال بیدار شدن و چگونگی تحریک مجدد باکتری ها توسط این سیگنال همچنان یک راز باقی مانده است.

در بیشتر موارد، سیگنال دهی به فعالیت متابولیک متکی است و اغلب شامل ژن هایی است که پروتئین ها را کد می کنند تا مولکول های سیگنال دهی خاص را بسازند. با این حال، همه این فرآیندها در داخل یک باکتری خفته خاموش می شوند و این سوال را ایجاد می کنند که چگونه این سیگنال باکتری های خواب را بیدار می کند.

در این مطالعه، رودنر و تیمش کشف کردند که حسگر مواد مغذی خود در مجرای جمع می شود که سلول را برای تبادل باز می کند. در پاسخ به مواد مغذی، یک کانال غشایی، باز می شود و به یون ها اجازه می دهد از داخل اسپور خارج شوند. این یک آبشار از واکنش ها را آغاز می کند که به سلول خفته اجازه می دهد زره محافظ خود را رها کند و رشد خود را از سر بگیرد.

دانشمندان از چندین راه برای پیگیری پیچ و خم های این رمز و راز استفاده کردند. آنها ابزارهای هوش مصنوعی را برای پیش بینی ساختار مجموعه حسگر پیچیده تا شده، ساختاری ساخته شده از پنج نسخه از پروتئین حسگر مشابه، به کار گرفتند. آنها از یادگیری ماشینی برای شناسایی تعاملات بین زیر واحدهای سازنده کانال استفاده کردند. آن ها همچنین از تکنیک های ویرایش ژن برای وادار کردن باکتری ها به تولید حسگرهای جهش یافته به عنوان راهی برای آزمایش نحوه انجام پیش بینی های مبتنی بر رایانه در سلول های زنده استفاده کردند.

یک سرنخ اولیه زمانی پیدا شد که Yongqiang Gao، محقق HMS در آزمایشگاه رودنر، در حال انجام یک سری آزمایش با میکروب Bacillus subtilis، که معمولاً در خاک یافت می شود و همزاد باکتری عامل سیاه زخم است. گائو ژن هایی را از باکتری های دیگر که اسپور تشکیل می دهند به B. subtilis معرفی کرد تا این ایده را کشف کند که پروتئین های ناهماهنگ تولید شده در جوانه زنی تداخل دارند. با کمال تعجب، گائو متوجه شد که در برخی موارد هاگ های باکتری به طور بی عیب و نقصی با مجموعه ای از پروتئین های یک باکتری مرتبط با هم بیدار می شوند.

لیور آرتزی، یکی از همکاران فوق دکترا در آزمایشگاه در زمان این تحقیق، توضیحی برای یافته گائو ارائه کرد. اگر حسگر نوعی گیرنده باشد که مانند یک دروازه بسته عمل می کند تا زمانی که سیگنالی را تشخیص دهد، در این مورد یک ماده مغذی مانند قند یا اسید آمینه. هنگامی که حسگر به ماده غذایی متصل می شود، دروازه باز می شود و به یون ها اجازه می دهد تا از هاگ خارج شوند.

به عبارت دیگر، پروتئین های باکتری های دوردست نیازی به برهم کنش با پروتئین های اسپور B. subtilis ناهمگون ندارند، بلکه در عوض با شروع جریان یون ها به تغییرات حالت الکتریکی اسپور پاسخ می دهند.

رودنر در ابتدا به این فرضیه بدبین بود زیرا گیرنده با مشخصات مطابقت نداشت. تقریباً هیچ یک از خصوصیات یک کانال یونی را نداشت. اما آرتزی استدلال کرد که سنسور ممکن است از چندین نسخه از زیر واحد تشکیل شده باشد که با هم در ساختار پیچیده تری کار می کنند.

این ابزار پیش بینی کرد که یک زیر واحد گیرنده خاص در یک حلقه پنج واحدی به نام پنتامر جمع می شود. ساختار پیش بینی شده شامل کانالی در وسط بود که می توانست به یون ها اجازه دهد از غشای اسپور عبور کنند. پیش بینی ابزار هوش مصنوعی همان چیزی بود که آرتزی به آن مشکوک بود.

آنها هاگ ها را با زیرواحدهای گیرنده تغییر یافته مهندسی کردند که پیش بینی می شد کانال غشایی را گسترش دهند و متوجه شدند که هاگ ها در غیاب سیگنال های مواد مغذی بیدار می شوند. از طرف دیگر، آنها زیر واحدهای جهش یافته ای تولید کردند که پیش بینی کردند دیافراگم کانال را باریک می کند. این هاگ ها نتوانستند دریچه ای را برای آزاد کردن یون ها باز کنند و در حضور مواد مغذی فراوان از حالت سکون بیدار شوند تا آنها را از حالت خواب خارج کنند.

به عبارت دیگر، یک انحراف جزئی از پیکربندی پیش بینی شده مجموعه تا شده می تواند دروازه را باز یا بسته کند و آن را به عنوان ابزاری برای بیدار کردن باکتری های خفته بی فایده کند.

یکی دیگر از پاتوژن های خطرناک تشکیل دهنده هاگ کلستریدیوئید دیفیسیل است که باعث اسهال و کولیت تهدید کننده زندگی می شود. بیماری C. difficile معمولاً پس از استفاده از آنتی بیوتیک هایی رخ می دهد که بسیاری از باکتری های روده را از بین می برند اما در برابر هاگ های خفته بی فایده هستند. پس از درمان، C. difficile از خواب بیدار می شود و می تواند شکوفا شود، اغلب با عواقب فاجعه بار.

از بین بردن هاگ ها نیز یک چالش اصلی در کارخانه های فرآوری مواد غذایی است، زیرا باکتری های خفته به دلیل زره محافظ و حالت دهیدراته بودن می توانند در برابر عقیم سازی مقاومت کنند. اگر عقیم سازی ناموفق باشد، جوانه زنی و رشد می تواند باعث بیماری جدی ناشی از غذا و خسارات مالی هنگفت شود.