Mokslininkai sukūrė naują būdą stebėti bakterijų veiklą pavienių ląstelių lygiu. Derindami MERFISH molekulinį vaizdinimą su vadinamąja plėtimo mikroskopija (angl. expansion microscopy).
Šis metodų derinys leidžia matyti, kaip skirtingos bakterijos aktyvuoja skirtingus genus, priklausomai nuo joms tenkančios aplinkos. Tyrimas suteikia naujų žinių apie mikrobų elgseną, jų gebėjimą prisitaikyti, kovoti su antibiotikais ir sukelti infekcijas.
Kaip bakterijos, tiek mūsų žarnyne gyvenančios draugiškos rūšys, tiek ligas sukeliančios padermės, geba koordinuoti savo veiklą? Į šį klausimą atsakymų ieškojo Jeffrey Moffitt su kolegomis iš Bostono vaikų ligoninės Ląstelinės ir molekulinės medicinos programos.
Naudodami MERFISH metodą, kurį sukūrė pats J. Moffittas, jie išanalizavo tūkstančius bakterijų vienu metu, sekdami, kaip jose aktyvuojasi iRNR molekulės (informacinė RNR). Tai leido ne tik atvaizduoti genų raišką plačiu mastu, bet ir pirmą kartą detaliai pamatyti, kaip bakterijų genų aktyvumą veikia erdviniai faktoriai.
Nematoma tampa matoma – plėtimo mikroskopija
Vienas iš didžiausių iššūkių buvo mažas bakterijų dydis ir ypač tankiai supakuota jų genetinė medžiaga. Pasak J. Moffitto, iš pradžių rezultatai buvo apgailėtini: „visiškas chaosas – nieko nesimatė“. Tuomet tyrėjai pasitelkė MIT mokslininko Ed Boyden sukurtą plėtimo mikroskopijos metodą.
Bakterijos buvo įterptos į specialų hidrogelį, prie kurio buvo pririštos iRNR molekulės. Pakeitus cheminę terpę, gelis išsipūtė 50–1000 kartų, o bakterijų RNR tapo vizualiai atskiriamos.
Iki šiol dauguma mokslinių tyrimų apibendrindavo visos bakterijų populiacijos elgseną. Tačiau gebėjimas stebėti, kokius genus aktyvuoja pavienės bakterijos, atveria naujas duris, nuo biofilmų formavimo iki atsparumo antibiotikams, nuo reakcijų į stresą iki gebėjimo bendradarbiauti ar konkuruoti su kitais mikrobais.
„Dabar galime kelti klausimus apie mikrobų bendruomenių struktūrą, jų sąveikas ir netgi tai, kaip patogeninės bakterijos keičia elgseną užkrėsdamos žmogaus ląsteles“, – sako J. Moffittas.
Tyrimai be auginimo lėkštelėje
Vienas svarbiausių šio metodo privalumų – nebereikia kultivuoti bakterijų laboratorinėmis sąlygomis. J. Moffittas teigia, kad dabar „galime tiesiog jas stebėti natūralioje aplinkoje.“ Tai ypač naudinga su sunkiai išauginamomis bakterijų rūšimis.
Ką atskleidė eksperimentai?
Tyrimų metu paaiškėjo, kad badaujanti E. coli bakterija pradeda ieškoti alternatyvių maisto šaltinių viena po kitos, aktyvuodama tam tikrus genus nuosekliai, tarsi pereidama per išgyvenimo strategijų grandinę.
Taip pat nustatyta, jog bakterijos viduje iRNR molekulės pasiskirsto pagal tam tikrą tvarką – tai gali būti svarbu reguliuojant skirtingus genų raiškos lygius.
Be to, tyrimas parodė, kad net tame pačiame žarnyno segmente gyvenančios bakterijos aktyvuoja skirtingus genus, priklausomai nuo savo buvimo vietos.
„Tie patys mikrobai vos per keliolika mikronų gali elgtis visiškai skirtingai“, – teigia J. Moffittas. Tokį niuansuotą bakterijų elgesį anksčiau buvo labai sunku stebėti, tačiau dabar tokie klausimai pagaliau tampa atsakomi.
Nauja bakterijų tyrimų era
Žinoma, tai yra tik pradžia. MERFISH ir plėtimo mikroskopija žymi didelį šuolį į priekį tiriant mikroorganizmus. Dabar mokslininkai gali stebėti, kaip bakterijos komunikuoja, kovoja dėl erdvės, keičia strategijas prisitaikydamos ne teoriškai, o realiai, pavienių ląstelių tikslumu.
Tai reiškia, kad mūsų supratimas apie infekcijas, vaistų poveikį ir mikrobiomo vaidmenį sveikatai gali pasikeisti iš esmės.
