Как бактериите - както полезните в тялото ни, така и вредните щамове, причиняващи болести - координират действията си? Скорошно проучване даде нови прозрения, като комбинира усъвършенствана микроскопия в геномен мащаб с иновативна техника за проследяване на това кои гени бактериите активират при различни условия и среди. Публикувано наскоро в списание Science, това откритие ще допринесе за значителен напредък в изследванията на бактериите.

Д-р Джефри Мофит и колегите му от Програмата за клетъчна и молекулярна медицина (PCMM) в Детската болница в Бостън използват MERFISH - техника за молекулярно изобразяване, за чието разработване е помогнал Мофит, за да анализират едновременно месинджър РНК (mRNA) в хиляди отделни бактерии. Този метод не само картографира генната експресия в огромен мащаб, но също така разкрива как пространствените фактори влияят върху това кои гени бактериите включват - нещо, което никога досега не е било постигано.

Първоначално обаче екипът е трябвало да преодолее едно голямо предизвикателство: бактериалните РНК или бактериалният транскриптом са гъсто разположени в малки клетки, което затруднява тяхното разграничаване и изобразяване. „Това беше пълна катастрофа, не можехме да видим нищо“, казва Мофит.

Заимствайки техника, разработена в лабораторията на д-р Ед Бойдън в Масачузетския технологичен институт - разширителна микроскопия, - те вграждат пробите в специален хидрогел. Закрепват РНК в този гел и променят химическия буфер в гела. Това го накара да набъбне, разширявайки пробата от 50 до 1000 пъти по обем. „Всички бактериални РНК стават индивидуално различими“, казва Мофит.

Досега учените осредняваха поведението на бактериите в дадена бактериална популация. Възможността да се определи кои гени използват отделните бактерии може да даде нови, мощни познания за бактериалните взаимодействия, вирулентността, реакциите на стрес, способността за резистентност към антибиотици, способността за образуване на биофилми като тези в катетрите и др.

„Сега разполагаме с инструменти, които ни позволяват да отговорим на интересни въпроси за взаимодействията между гостоприемник и микроби“, продължава Мофит. „Можем да проучим как бактериите могат да общуват и да се конкурират за пространствени ниши и да определим структурата на микробните общности. Можем да се запитаме как патогенните бактерии регулират генната си експресия, когато заразяват клетките на бозайниците.“

Bacterial-MERFISH може също така да даде представа за бактерии, които е трудно да се отглеждат в култивационна чиния. „Сега не е необходимо да ги култивираме, а просто да ги изобразим в естествената им среда“, обяснява Мофит.

Няколко експеримента, проведени от екипа, илюстрират видовете въпроси, на които може да отговори бактериалната MERFISH. Например Мофит и колегите му успяват да покажат, че отделни E. coli, когато са лишени от глюкоза, се опитват да използват алтернативни източници на храна един след друг, като променят генната си експресия в определена последователност. Извършването на поредица от геномни снимки с течение на времето е позволило на екипа да сглоби тази стратегия за оцеляване.

Екипът също така получи представа за това как бактериите организират своите РНК в клетките си, което може да е важно за това как се регулират различни аспекти на генната експресия. И накрая, те показаха, че чревните бактерии докосват различни гени в зависимост от физическото си местоположение в дебелото черво.

„Едни и същи бактерии могат да правят много различни неща на разстояние от десетки микрони“, казва Мофит. „Те виждат различни среди и реагират по различен начин на тях. Преди беше много трудно да се обърне внимание на подобни вариации, но сега можем да отговорим на въпроси, за които хората са мечтали.“

Снимка: Unsplash/Ari Safatis/Boston Children’s Hospital

Виж още: Светлинното платно може да позволи междузвездни пътувания с невиждани досега скорости