„Kule” magazynujące żelazo wewnątrz bakterii C. diff – głównej przyczyny zakażeń szpitalnych – mogą stać się nowymi celami dla leków przeciwbakteryjnych do zwalczania patogenu.
Zespół badaczy z Vanderbilt odkrył, że C. diff (Clostridioides difficile) wytwarza kulki zwane ferrosomami i że struktury te są ważne w procesie infekcji w modelu zwierzęcym. Odkrycia, o których doniesiono 15 listopada w czasopiśmie Nature, stanowią również rzadką demonstrację struktury związanej z błoną wewnątrz patogennej bakterii.
Od dawna uważano, że bakterie nie zawierają organelli (takich jak jądro, mitochondria i inne wyspecjalizowane struktury), jak komórki eukariotyczne, ale ten biologiczny dogmat wydaje się błędny.
„Pojawiający się pogląd, że bakterie faktycznie dzielą procesy biochemiczne na przedziały w sposób podobny do komórek eukariotycznych, naprawdę wywraca do góry nogami dziedzinę mikrobiologii” – powiedział dr Eric Skaar, MPH, profesor patologii Ernest W. Goodpasture i dyrektor Instytutu Vanderbilt w leczeniu infekcji, immunologii i stanów zapalnych.
Skaar, współautor do korespondencji, doktor Qiangjun Zhou, adiunkt w dziedzinie biologii komórki i rozwoju, oraz ich współpracownicy byli zaintrygowani odkryciami zgłoszonymi kilka lat temu, że niektóre bakterie środowiskowe wytwarzają ferrosomy zawierające żelazo.
Wiedzieli, że geny tych bakterii są zachowane w C. diff i innych bakteriach beztlenowych (bakterie, które giną w obecności tlenu), więc postanowili ustalić, czy C. diff wytwarza ferrosomy, aby zaspokoić swoje zapotrzebowanie na żelazo. Podobnie jak wszystkie żywe organizmy, C. diff potrzebuje żelaza, aby przetrwać i rosnąć. Skaar i jego zespół skupili się na tym, w jaki sposób patogeny takie jak C. diff nabywają żelazo i inne metale, mając na celu znalezienie nowych ścieżek, które można by wykorzystać do „zagłodzenia” patogenów niezbędnych składników odżywczych.
Według Centrów Kontroli i Zapobiegania Chorobom C. diff powoduje każdego roku około 500 000 infekcji i ponad 29 000 zgonów w Stanach Zjednoczonych, a możliwości leczenia są ograniczone. Osoby przyjmujące antybiotyki niszczące zdrowe drobnoustroje w jelitach są narażone na zwiększone ryzyko zakażenia C. diff, powodującego biegunkę i zapalenie okrężnicy. Skaar stwierdził, że potrzebne są nowe strategie leczenia tego pilnego zagrożenia zdrowia publicznego.
Aby poszukać żelaza w C. diff, naukowcy najpierw skorzystali z wiedzy i zasobów Instytutu Nauki i Inżynierii Nanoskali Vanderbilta (VINSE).
„Najlepszym sposobem poszukiwania akumulacji pierwiastków na małej przestrzeni, takiej jak komórka, jest metoda zwana STEM-EDS, która nie jest powszechnie stosowana w przypadku próbek biologicznych” – powiedział Skaar. „Mieliśmy szczęście, że mieliśmy dostęp do instrumentu STEM-EDS i współpracowników w VINSE i szybko udowodniliśmy, że w bakterii nagromadziły się „kropki” żelaza”.
Współautorzy, dr Hualiang Pi i dr Rong Sun, przeprowadzili badania, które wykazały, że te kropki żelaza reprezentują organelle ważne dla zakażenia C. diff.
Zespół Pi i Skaara odkrył, że do tworzenia ferrosomów potrzebne są dwa geny (fezA i fezB), które są podobne do tych występujących w bakteriach środowiskowych. Wykorzystując bakterie C. diff, którym brakuje tych genów, wykazano, że ferrosomy są niezbędne, aby C. diff mogła w pełni skolonizować i wywołać chorobę w modelu zwierzęcym. Odkryli, że ferrosomy były jeszcze ważniejsze w przypadku zakażenia C. diff w modelu nieswoistego zapalenia jelit, co wykazało, że te struktury zawierające żelazo pomagają bakterii zwalczać „odporność żywieniową” – reakcję gospodarza polegającą na wytwarzaniu białek wiążących żelazo i próbujących je zagłodzić patogen.
Zespół Suna i Zhou wykorzystał kriogeniczną mikroskopię elektronową (krio-EM) i kriotomografię, aby wykazać, że struktury ferrosomalne były otoczone błoną, klasyfikując je jako organelle.
Skaar zauważył, że „wyjątkowa geografia Vanderbilta” – bliskość ekspertów w dziedzinie inżynierii, biologii komórki i Centrum Medycznego – oraz specjalistyczne narzędzia do STEM-EDS i Cryo-EM umożliwiły przeprowadzenie badań.
Wyniki „ustalają powstawanie ferrosomów i wszystkie czynniki biorące udział w tworzeniu ferrosomów jako potencjalne cele dla nowych leków przeciwbakteryjnych przeciwko ważnej chorobie zakaźnej” – powiedział Skaar. „Za każdym razem, gdy odkrywamy nowe czynniki zaangażowane w interakcje żywiciel-patogen i pokazujemy, że są one ważne w przypadku infekcji, otwiera to zupełnie nowe możliwości tworzenia klas leków przeciwbakteryjnych, które nie istniały wcześniej. Jest to szczególnie ważne w obliczu rosnącej oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe które obserwujemy na całym świecie.”
W przyszłych badaniach naukowcy planują zbadać, w jaki sposób powstają ferrosomy, czy inne patogeny jelitowe wytwarzają ferrosomy i czy struktury te mogą być wspólne w jelitach jako źródło żelaza. Skaar jest również szczególnie zainteresowany badaniem powstającego obszaru organelli bakteryjnych.
„Uważamy, że nasze badanie stanowi rzadką demonstrację organelli w chorobotwórczej bakterii” – powiedział. „Teraz chcemy wiedzieć, czy w bakteriach istnieją inne przedziały subkomórkowe, które nas interesują, a które mogłyby nauczyć nas, w jaki sposób te komórki wykonują różne procesy fizjologiczne”.
Pi, były pracownik naukowy podoktorski w Vanderbilt, jest obecnie adiunktem w dziedzinie patogenezy drobnoustrojów w Yale School of Medicine. Sun jest doktorantem w dziedzinie biologii komórki i rozwoju. Inni autorzy artykułu w Nature to dr James McBride, dr Angela Kruse, dr Katherine Gibson-Corley, DVM, dr Evan Krystofiak, dr Maribeth Nicholson i dr Jeffrey Spraggins. Badania zostały wsparte grantami Narodowego Instytutu Zdrowia (R01AI073843, R01AI164587, U19AI174999, R01AI13858, R00MH113764, F32AI161860, K99AI168483 i K23AI156132).