Представьте себе, что вы могли бы взять муравья и сделать его размером со слона. Вы увидите каждую деталь ее тела, каждый нюанс, каждое движение. Теперь перенесем эту идею в микроскопический мир. Группа ученых сумела сделать нечто подобное с бактериями: они увеличенный в тысячу раз. Это не магия, а гениальная технология, сочетающая в себе передовую микроскопию и химию полимеров. Результат? Беспрецедентное видение мира бактерий, способное раскрыть скрытые секреты их поведения, их устойчивости к антибиотикам и их стратегий выживания. Приготовьтесь к невероятному путешествию в царство «гигантских» бактерий (правильнее было бы сказать увеличенных, но это так), где бесконечно малое наконец становится видимым.
Задача увидеть невидимое
Как бактерии, эти крошечные организмы, населяющие и окружающие нас, координируют свою деятельность? Как они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой? Это фундаментальные вопросы для понимания как полезных, так и вредных бактерий, вызывающих инфекционные заболевания. Недавнее исследование, опубликованное в престижном журнале Наука (Я связываю это здесь), открыл новые перспективы в этой области благодаря технологии, которая позволяет визуализировать бактерии совершенно новым способом.
Джеффри Моффитт, доктор философии, и его коллеги из Программа по клеточной и молекулярной медицине (PCMM) al Бостонская детская больница, они использовали метод молекулярной визуализации, называемый МЕРФИШ, частично разработанный самим Моффитом. Эта техника позволяет проводить анализ матричной РНК (мРНК) в тысячах отдельных бактерий одновременно. Настоящая генетическая перепись в микроскопическом масштабе, которая позволяет нам картировать экспрессию генов в огромных масштабах и выявлять, как пространственные факторы влияют на активацию бактериальных генов. Результат, которого никогда ранее не достигали.
«Гигантские» бактерии: преодоление ограничений традиционной микроскопии
На пути к такому мегарасширению необходимо было преодолеть одно препятствие: бактериальная РНК, или бактериальный транскриптом, невероятно плотная и сжатая внутри крошечных клеток. Представьте себе запутанный клубок пряжи в коробке из-под обуви. Визуализировать его с помощью традиционных микроскопов было практически невозможно. «Это была полная катастрофа, мы ничего не видели», — говорит он. Моффитт.
Решение пришло путем заимствования методики, разработанной в лаборатории Эд Бойден, доктор философии, в MIT: Расширенная микроскопия. Исследователи поместили бактериальные образцы в специальный гидрогель, закрепив РНК в этой гелеобразной структуре. Затем они изменили химический буфер в геле, запустив процесс расширения. Результат? Образец разбух, увеличив свой объем в 50–1000 раз. «Вся бактериальная РНК стала индивидуально разрешимой», — объясняет он. Моффитт. Как будто запутанный клубок пряжи волшебным образом распутался, обнажив каждую ниточку.
Что показывает экспрессия бактериальных генов
До сих пор ученые могли изучать поведение бактерий только «в среднем», анализируя целые популяции бактерий. Но эта новая способность определять, какие гены включены в один Бактерии открывают новые перспективы. Мы наконец-то можем понять взаимодействие бактерий на индивидуальном уровне, раскрыть механизмы вирулентности, изучить реакции на стресс, понять, как бактерии развивают устойчивость к антибиотикам и как они образуют биопленки — сложные бактериальные сообщества, которые образуются, например, на катетерах.
«Теперь у нас есть инструменты, позволяющие ответить на захватывающие вопросы о взаимодействии хозяина и микроба и микроба с микробом», — с энтузиазмом заявляет он. Моффитт. «Мы можем исследовать, как бактерии общаются и конкурируют за пространственные ниши, определять структуру микробные сообщества и изучить, как патогенные бактерии изменяют экспрессию своих генов при заражении клеток млекопитающих».
Бактериальная микроскопия MERFISH также позволяет нам изучать бактерии, которые трудно выращивать в лабораторных условиях. «Теперь нам больше не нужно их выращивать, мы можем просто визуализировать их в естественной среде», — подчеркивает он. Моффитт. Огромное преимущество, учитывая, что большинство существующих бактерий невозможно культивировать традиционными методами.
Стратегии выживания, раскрытые «гигантскими бактериями»
Чтобы продемонстрировать потенциал этой техники, команда Моффитт провели несколько экспериментов. Например, им удалось продемонстрировать, что отдельные бактерии E. палочкипри недостатке глюкозы попробуйте использовать альтернативные источники пищи один за другим, изменяя экспрессию своих генов в определенной последовательности. Проанализировав серию геномных «снимков» с течением времени, исследователи смогли реконструировать эту стратегию выживания. Это немного похоже на то, как двигатель переключается с одного вида топлива на другой, чтобы продолжить работу.
Группа также получила представление о том, как бактерии организуют свою РНК внутри клеток, — аспект, который может иметь решающее значение для регуляции экспрессии генов. Наконец, они показали, что кишечные бактерии активируют различные гены в зависимости от их физического расположения в толстой кишке. Настоящий генетический «почтовый индекс», который меняется в зависимости от микросреды, в которой находятся бактерии.
Новая эра в бактериологических исследованиях
«Одни и те же бактерии могут выполнять совершенно разные действия на пространстве размером в десятки микрометров», — заключает он. Моффитт. «Они видят разные среды и реагируют на них по-разному. Раньше было очень сложно иметь дело с этим разнообразием, но теперь мы можем отвечать на те вопросы, о которых люди мечтали».
Благодаря экспансивной микроскопии открывается новая эра в исследовании бактерий. Мы не только сможем изучать эти микроорганизмы с беспрецедентной степенью детализации, но и сможем решать фундаментальные вопросы жизни, здоровья и окружающей среды с помощью нового оружия и новых перспектив. Микроскопическое будущее, но с гигантскими последствиями.
