چگونه باکتری های بی اثر و خواب به زندگی باز می گردند

حل معمایی که زیست شناسان را از زمان اسپور باکتری ها گیج کرده است -; باکتری های بی اثر و خواب -؛ برای اولین بار بیش از 150 سال پیش توصیف شد، محققان دانشکده پزشکی هاروارد نوع جدیدی از حسگر سلولی را کشف کردند که به هاگ ها اجازه می دهد تا حضور مواد مغذی را در محیط خود تشخیص دهند و به سرعت به زندگی بازگردند.

به نظر می رسد که این حسگرها به عنوان کانال هایی از غشاء عمل می کنند 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، کانال‌ها به یون‌های باردار الکتریکی اجازه می‌دهند تا از طریق غشای سلولی به بیرون جریان پیدا کنند و باعث می‌شود که لایه‌های محافظ اسپور و روشن شدن فرآیندهای متابولیکی پس از سال‌ها به حرکت درآیند. یا حتی قرن ها -؛ از خواب

یافته های این تیم، در 28 آوریل منتشر شد علوم پایهمی‌تواند به طراحی راه‌هایی برای جلوگیری از خوابیدن اسپورهای باکتریایی خطرناک برای ماه‌ها، حتی سال‌ها، قبل از بیدار شدن دوباره و ایجاد شیوع بیماری کمک کند.

این کشف معمایی را حل می کند که بیش از یک قرن قدمت دارد. چگونه باکتری‌ها تغییرات محیط خود را حس می‌کنند و زمانی که سیستم‌هایشان تقریباً به طور کامل در یک محفظه محافظ خاموش است، از حالت خواب خارج شوند؟

دیوید رودنر، نویسنده ارشد مطالعه، استاد میکروبیولوژی، موسسه بلاواتنیک در HMS

چگونه باکتری های خواب زنده می شوند

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

این مینی قلعه‌های بیولوژیکی خنثی به باکتری‌ها اجازه می‌دهد تا در دوره‌های قحطی منتظر بمانند و خود را در برابر آسیب‌های گرمای شدید، طلسم‌های خشک، اشعه ماوراء بنفش، مواد شیمیایی خشن و آنتی‌بیوتیک‌ها محافظت کنند.

برای بیش از یک قرن، دانشمندان می دانستند که وقتی هاگ ها 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 می‌سازد مواد مغذی را تشخیص دهند تقریباً 50 سال پیش کشف شد، اما ابزار ارسال سیگنال بیدار شدن و چگونگی تحریک مجدد باکتری‌ها 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 می‌شود که سلول را برای تجارت باز می‌کند. در پاسخ به مواد مغذی، مجرا، یک کانال غشایی، باز می‌شود و به یون‌ها اجازه می‌دهد از داخل اسپور خارج شوند. این یک آبشار از واکنش‌ها را آغاز می‌کند که به سلول خفته اجازه می‌دهد 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 کپی از همان پروتئین حسگر. آنها از یادگیری ماشینی برای شناسایی تعاملات بین زیر واحدهای سازنده کانال استفاده کردند. آن‌ها همچنین از تکنیک‌های ویرایش ژن برای وادار کردن باکتری‌ها به تولید حسگرهای جهش‌یافته به عنوان راهی برای آزمایش نحوه انجام پیش‌بینی‌های مبتنی بر رایانه در سلول‌های زنده استفاده کردند.

رودنر گفت: “چیزی که من در مورد علم دوست دارم این است که شما کشفی می کنید و ناگهان همه این مشاهدات متفاوت که منطقی نیستند، ناگهان در جای خود قرار می گیرند.” مثل این است که روی یک پازل کار می‌کنید و متوجه می‌شوید که یک قطعه کجا می‌رود و ناگهان می‌توانید شش قطعه دیگر را خیلی سریع جاسازی کنید.»

رودنر فرآیند کشف را در این مورد به عنوان مجموعه ای از مشاهدات گیج کننده توصیف کرد که به لطف تیمی از محققان با دیدگاه های مختلف که به طور هم افزایی با یکدیگر همکاری می کردند، به آرامی شکل گرفتند.

در طول راه، آنها مشاهدات غافلگیر کننده ای انجام می دادند که آنها را گیج می کرد، نکاتی که پاسخ هایی را پیشنهاد می کرد که به نظر نمی رسید ممکن است درست باشد.

دوختن سرنخ ها به هم

یک سرنخ اولیه زمانی پیدا شد که یونگ کیانگ گائو، محقق HMS در آزمایشگاه رودنر، در حال انجام یک سری آزمایش با این میکروب بود. باسیلوس سابتلیس، معمولاً در خاک یافت می شود و یکی از عموزاده های باکتری عامل سیاه زخم است. گائو ژن‌هایی را از باکتری‌های دیگر که هاگ تشکیل می‌دهند وارد کرد B. subtilis برای کشف این ایده که پروتئین های نامتناسب تولید شده با جوانه زنی تداخل می کنند. 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 حاصل از باکتری های دوردست نیازی به تعامل با ناهماهنگ ندارند B. subtilis پروتئین های هاگ، اما در عوض به سادگی به تغییرات در حالت الکتریکی اسپور با شروع جریان یون ها 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 پیچیده‌تری کار می‌کنند.

هوش مصنوعی وارد چت شده است

یکی دیگر از دکترای فوق دکتری، جرمی آمون، اولین پذیرنده AlphaFold، ابزار هوش مصنوعی که می‌تواند ساختار پروتئین‌ها و کمپلکس‌های پروتئینی را پیش‌بینی کند، نیز در حال مطالعه جوانه‌زنی هاگ بود و برای بررسی حسگر مواد مغذی آماده شد.

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

سپس گائو، آرتزی و آمون برای آزمایش مدل تولید شده توسط هوش مصنوعی با یکدیگر همکاری کردند. آنها از نزدیک با یک پسادکتر سوم، فرناندو رامیرز-گوادیانا و گروه‌های اندرو کروز، استاد شیمی بیولوژیکی و فارماکولوژی مولکولی HMS، و دبورا مارکز، زیست‌شناس محاسباتی، استادیار زیست‌شناسی سیستم HMS، کار کردند.

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 پیش‌بینی‌شده مجموعه تا شده می‌تواند دروازه را باز یا بسته کند و آن را به عنوان ابزاری برای بیدار کردن باکتری‌های خفته بی‌فایده کند.

پیامدها برای سلامت انسان و ایمنی مواد غذایی

رودنر گفت که درک اینکه چگونه باکتری‌های خفته به زندگی بازمی‌گردند، فقط یک معمای فکری وسوسه‌انگیز نیست، بلکه پیامدهای مهمی برای سلامت انسان دارد. تعدادی از باکتری ها که می توانند برای مدت طولانی به خواب عمیق بروند، پاتوژن های خطرناک و حتی کشنده هستند: شکل سفید پودری سیاه زخم مسلح از هاگ های باکتری تشکیل شده است.

یکی دیگر از پاتوژن های خطرناک تشکیل دهنده هاگ است Clostridioides difficile، که باعث اسهال و کولیت تهدید کننده زندگی می شود. بیماری از C. difficile معمولاً پس از استفاده از آنتی بیوتیک هایی که بسیاری از باکتری های روده را می کشند، اما در برابر هاگ های خفته بی فایده هستند، رخ می دهد. 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.

درک اینکه چگونه هاگ ها مواد مغذی را حس می کنند و به سرعت از خواب خارج می شوند، می تواند محققان را قادر سازد تا راه هایی برای شروع جوانه زنی زودهنگام ایجاد کنند، این امکان را فراهم می کند تا باکتری ها را استریل کنند، یا از جوانه زنی جلوگیری کنند، و باکتری ها را در پوسته محافظ خود محبوس نگه دارند، قادر به رشد، تکثیر و فاسد شدن غذا نباشند. یا باعث بیماری شود.