Ученые обнаружили удивительные вещи в бактериях, увеличенные в 1000 раз

Объединив технологию визуализации MERFISH с расширенной микроскопией, ученые открыли новый способ изучения бактерий на уровне отдельных клеток. Это новое достижение позволяет проводить более глубокие наблюдения за тем, как бактерии активируют различные типы генов в ответ на окружающую среду, что дает представление о поведении бактерий, устойчивости к антибиотикам и стратегиях инфицирования.

Как работают бактерии

Каким образом бактерии — будь то полезные в нашем организме или опасные болезнетворные штаммы — координируют свою деятельность? Недавнее исследование предоставило новые знания благодаря сочетанию передовой геномной микроскопии с новаторской технологией отслеживания генов, которые бактерии активируют в различных условиях и средах. Ожидается, что это открытие, недавно опубликованное в журнале Science, выведет бактериологические исследования на новый уровень.

Доктор Джеффри Моффитт и его коллеги из Программы клеточной и молекулярной медицины (PCMM) в Бостонской детской больнице (США) использовали MERFISH — метод молекулярной визуализации, который Моффитт помог разработать, — для анализа матричной РНК (мРНК) в тысячах отдельных образцов бактерий одновременно. Этот метод не только картирует экспрессию генов в больших масштабах, но и показывает, как пространственные факторы влияют на активацию бактериальных генов, чего ранее никто не делал.

Проблемы бактериальной визуализации

Однако сначала команде пришлось преодолеть серьезную проблему: бактериальные РНК, известные как бактериальные транскриптомы, плотно упакованы внутри крошечных клеток, что затрудняет их различение и визуализацию.

Используя разработанную в лаборатории технологию под названием «расширенная микроскопия», команда поместила образцы в специальный гидрогель. Они иммобилизовали РНК в геле и варьировали в нем химический буферный раствор. Это приводит к расширению геля, увеличивая размер образца в 50–1000 раз. На этом этапе все бактериальные РНК становятся индивидуально усваиваемыми.

Что означает экспрессия бактериальных генов?

До сих пор ученые обычно оценивали поведение бактерий, усредняя данные по целым популяциям бактерий. Возможность идентифицировать гены, используемые отдельными бактериями, может дать новые важные сведения о бактериальных взаимодействиях, вирулентности, реакциях на стресс, устойчивости к антибиотикам, образовании биопленки, например, в катетерах, и многом другом.

«Теперь у нас есть инструменты, позволяющие ответить на интересные вопросы о взаимодействиях хозяина и микроба и микроба с микробом», — говорит Моффитт. «Мы можем исследовать, как бактерии общаются и конкурируют за пространственные позиции, а также определять структуру бактериальных сообществ. И мы можем спросить, как патогенные бактерии регулируют экспрессию своих генов, когда они заражают клетки млекопитающих».

Bacterial-MERFISH также может предоставить информацию о бактериях, которые трудно выращивать в чашках Петри. Теперь ученым не придется их выращивать, вместо этого они смогут просто фотографировать их в естественной среде обитания.

Изучение стратегий выживания бактерий на уровне отдельных клеток

Некоторые из экспериментов, проведенных командой, иллюстрируют типы вопросов, на которые может ответить Bacterial-MERFISH. Например, Моффитт и его коллеги смогли продемонстрировать, что отдельные клетки E. coli, лишенные глюкозы, будут пытаться последовательно использовать альтернативные источники пищи, изменяя экспрессию своих генов в определенной последовательности. Сделав серию генетических снимков в течение определенного периода времени, команда смогла воссоздать эту стратегию выживания.

Группа также получила информацию о том, как бактерии организуют свои РНК внутри клеток, что может иметь важное значение для регуляции различных аспектов экспрессии генов. Раньше было очень сложно заниматься такой трансформацией, но теперь эта работа стала намного проще.