Это открытие стало возможным благодаря революционному методу окраски клеточных стенок бактерий, разработанному в IU, и является важным шагом вперед в исследованиях роста бактерий и может послужить основой для усилий по разработке лекарств, которые борются с устойчивыми к антибиотикам бактериями.Во всем мире устойчивые к антибиотикам бактерии или «супербактерии» представляют серьезную опасность для здоровья человека. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, около 480 000 человек ежегодно заболевают туберкулезом с множественной лекарственной устойчивостью. По оценкам Центров по контролю за заболеваниями США, каждая четвертая внутрибольничная инфекция у долгосрочных пациентов вызывается шестью основными штаммами микробов.
«Это первое исследование, которое« соединяет точки »между каждой частью клетки, участвующей в делении бактериальных клеток», — сказал Ив Брун, профессор биологии Клайда Калбертсона факультета биологии колледжа искусств и наук Блумингтона. является автором исследования. «Мы, наконец, замкнули круг вокруг этого механизма и открыли дверь для более точных методов борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями.«Если вы понимаете, как работает двигатель, вы можете выключить его, сняв одну деталь», — сказал Брун. «Вам больше не нужно бросать молоток, чтобы разрушить его».Ранние антибиотики, такие как пенициллин, действуют как молоток: тупой инструмент, который разрушает бактериальную клетку в процессе деления, обманывая ферменты, формирующие клеточную стенку, называемые пенициллин-связывающими белками, или PBP, для связывания с лекарством, а не со строительными блоками клеточные стенки, в результате чего стенки разрушаются, а клетки взрываются.
Другие части клетки, которые управляют бактериальным делением, включают цитоскелетные белки, называемые FtsA и FtsZ, которые образуют скелетоподобные волокна внутри клеток, направляющие построение клеточной стенки. Все три элемента должны координироваться, чтобы построить стенку ячейки в середине ячейки, чтобы гарантировать, что материал внутри не ускользнет после того, как он разделится пополам.Тот факт, что эти три части клетки играют роль в клеточном делении, известен, но новое исследование — первое, показывающее, как именно они координируются. По сути, сказал Брун, FtsZ действует как «прораб», который направляет движение «рабочих» PBP, пока они строят клеточную стенку.
Исследователи смогли обнаружить действие высокотехнологичных разноцветных красителей, называемых флуоресцентными D-аминокислотами, или FDAA, которые были обнаружены пять лет назад в лаборатории Майкла Ван Нивенхзе, профессора факультета искусств и наук Блумингтонского колледжа. химии, который является соавтором исследования.«Применение разных цветов этих красителей в процессе строительства клеточной стенки выявило« узор в виде яблока », указывающий на то, что круглая стенка построена от внешнего края клетки внутрь к центру», — сказал Ван Ньивенхзе.Исследование также решает еще одну загадку: как молекулы FtsZ строят стену? Исследователи обнаружили, что FtsZ, который выстроен в биохимическую цепочку, называемую филаментом, постоянно теряет молекулу на одном конце и приобретает молекулу на другом конце, в результате чего происходит круговое движение по краю клетки, описываемое как «беговая дорожка».
Исследователи IU химически пометили клетки для анализа. Ученые из Гарварда провели эксперименты, которые показали движение белков FtsZ и PBP внутри клетки.
Красители FDAA, являющиеся предметом патента США, поданного IU Research and Technology Corp., с 2012 года сыграли важную роль в десятках других научных работ о бактериях. Лаборатория ВанНивенхце также имеет около 50 соглашений о передаче материалов с исследователями со всего мира. доступ к инструменту.
Созданием красителей в IU руководил Эркин Куру, бывший доктор философии. студент в лабораториях ВанНивенхце и Бруна, который в настоящее время является научным сотрудником Гарварда. Куру и Йен-Пан Сюй, доктор философии. Студент, также работающий в лабораториях VanNieuwenhze и Brun, является соавтором исследования.«Это первый раз, когда мы смогли наблюдать деление клеток как динамический процесс, то есть процесс, происходящий с течением времени», — сказал Куру. «Раньше это было невозможно, так как у нас не было инструментов, чтобы увидеть это».
Сюй добавил, что «визуализация этих клеточных структур — непростая задача, если учесть, что организм, который их содержит, имеет ширину менее микрометра или тысячи миллиметра. Мы не смогли бы измерить флуоресцентные паттерны в этих клетках без технологии в Центре визуализации световой микроскопии IU ».