Naukowcy odkryli niesamowite rzeczy w bakteriach powiększonych 1000 razy

Łącząc technikę obrazowania MERFISH z rozszerzoną mikroskopią, naukowcy odkryli nowy sposób badania bakterii na poziomie pojedynczej komórki. To nowe osiągnięcie pozwala na dokładniejsze obserwacje sposobu, w jaki bakterie aktywują różne typy genów w odpowiedzi na środowisko, zapewniając wgląd w zachowanie bakterii, oporność na antybiotyki i strategie zakażeń.

Jak działają bakterie

W jaki sposób bakterie – zarówno te pożyteczne w naszym organizmie, jak i niebezpieczne szczepy wywołujące choroby – koordynują swoje działania? Najnowsze badanie dostarczyło nowych spostrzeżeń poprzez połączenie zaawansowanej mikroskopii genomicznej z przełomową techniką śledzenia genów aktywowanych przez bakterie w różnych warunkach i środowiskach. Opublikowane niedawno w czasopiśmie Science przełomowe odkrycie prawdopodobnie wyniesie badania nad bakteriami na nowy poziom.

Dr Jeffrey Moffitt i jego współpracownicy z Programu Medycyny Komórkowej i Molekularnej (PCMM) w Boston Children's Hospital (USA) wykorzystali MERFISH, technikę obrazowania molekularnego, którą Moffitt pomógł opracować, do analizy informacyjnego RNA (mRNA) w tysiącach pojedynczych próbek bakterii jednocześnie. Metoda ta nie tylko mapuje ekspresję genów na dużą skalę, ale także ujawnia, w jaki sposób czynniki przestrzenne wpływają na aktywację genów bakteryjnych – czego nigdy wcześniej nie zrobiono.

Wyzwania w obrazowaniu bakterii

Jednak najpierw zespół musiał pokonać poważne wyzwanie: bakteryjne RNA, zwane transkryptomami bakteryjnymi, są gęsto upakowane wewnątrz maleńkich komórek, co utrudnia ich rozróżnienie i obrazowanie.

Wykorzystując opracowaną w laboratorium technikę zwaną „mikroskopią ekspansyjną”, zespół umieścił okazy w specjalnym hydrożelu. Unieruchomiono RNA w żelu i zmieniono stężenie buforu chemicznego w żelu. W rezultacie żel rozszerza się, zwiększając rozmiar próbki od 50 do 1000 razy. Na tym etapie wszystkie bakteryjne RNA stają się indywidualnie strawialne.

Co oznacza ekspresja genów bakteryjnych?

Do tej pory naukowcy zazwyczaj mierzyli zachowanie bakterii, uśredniając wyniki dla całych populacji bakterii. Możliwość identyfikacji genów wykorzystywanych przez poszczególne bakterie może przynieść nowe, cenne informacje na temat interakcji między bakteriami, ich wirulencji, reakcji na stres, oporności na antybiotyki, tworzenia biofilmu, np. w cewnikach i innych.

„Mamy teraz narzędzia, które pozwalają nam odpowiedzieć na interesujące pytania dotyczące interakcji między gospodarzem a mikrobami oraz między mikrobami” – mówi Moffitt. „Możemy badać, jak bakterie komunikują się i konkurują o pozycje przestrzenne, a także określać strukturę społeczności bakteryjnych. Możemy też pytać, jak bakterie chorobotwórcze regulują ekspresję swoich genów, gdy zakażają komórki ssaków”.

Bacterial-MERFISH może również dostarczyć informacji na temat bakterii, które trudno hodować w płytkach Petriego. Teraz naukowcy nie będą musieli ich hodować, lecz będą mogli po prostu je fotografować w ich naturalnym środowisku.

Wgląd w strategie przetrwania bakterii na poziomie pojedynczych komórek

Niektóre z przeprowadzonych przez zespół eksperymentów pokazały, jakiego rodzaju pytania może odpowiedzieć projekt Bacterial-MERFISH. Na przykład Moffitt i współpracownicy wykazali, że gdy pojedyncze komórki E. coli zostaną pozbawione glukozy, będą próbowały sekwencyjnie wykorzystać alternatywne źródła pożywienia, zmieniając ekspresję swoich genów w określonej kolejności. Dzięki wykonywaniu serii zdjęć genetycznych na przestrzeni czasu, zespołowi udało się odtworzyć tę strategię przetrwania.

Zespół uzyskał również informacje na temat tego, w jaki sposób bakterie organizują swoje RNA w komórkach, co może mieć istotne znaczenie w regulacji różnych aspektów ekspresji genów. Wcześniej bardzo trudno było poradzić sobie z taką transformacją, ale teraz zadanie to stało się znacznie łatwiejsze.