Физики порвали кишечную палочку
Испанским физикам удалось прорвать клеточную стенку кишечной палочки с помощью иглы атомно-силового микроскопа. Для разрыва понадобилась сила более 20 наноньютонов, что превышает предыдущие оценки. Кроме того, оказалось, что для прекращения клеточного деления палочки достаточно и слабых надавливаний. В статье, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, для достижения такого механо-бактерицидного эффекта ученые предлагают использовать вытянутые коллоидные наночастицы в растворе.
В последние годы бактерии со все большей скоростью приспосабливаются к традиционным химическим антибиотикам, после чего последние перестают работать (подробно о проблемах современных антибиотиков и мультирезистентных бактерий мы уже писали в материале «Конец прекрасной эпохи»). Единственное, против чего бактерии точно не могут защититься — это механический разрыв клеточной оболочки. Ученые обнаружили такой эффект в природе (например, на крыле стрекозы) и уже начали создавать механо-бактерицидные наноструктуры в виде коллоидных наночастиц или поверхностей со стержнями из титановых или углеродных материалов.
Механизм такого разрушения клеточной стенки до конца не изучен, хотя ученые уже наблюдали за ним через атомный силовой микроскоп и пытались моделировать. Так, физики уже прокалывали иглой атомно-силового микроскопа клеточную стенку грамотрицательной бактерии Salmonella typhimurium — для разрыва потребовалась сила в один-два наноньютона. Однако ученые заметили, что клетка все еще была жива после нескольких проколов благодаря перестройке фосфолипидов в клеточной мембране. Также иглой атомно-силового микроскопа моделировали взаимодействие бактерии и одностеночной углеродной нанотрубки. Для высушенных клеток Escherichia coli и Bacillus subtilis сила для разрыва клеточной стенки превысила десять наноньютонов, чего не может обеспечить один контакт нанотрубки с бактерией, но его, например, возможно достичь в процессе фильтрации через нанотрубочную мембрану.
Чтобы установить необходимую силу для прокалывания кишечной палочки, испанские физики из Автономного Университета Мадрида под руководством Кристины Флорс (Cristina Flors), надавливали на обездвиженные клетки иглой атомно-силового микроскопа. За жизнеспособностью клетки наблюдали с помощью флуоресценции йодида пропидиума, который после связывания с молекулами ДНК и РНК увеличивает свою светимость.
Ученые надавливали на клеточную стенку с разной силой и в месте разрыва наблюдали резкое изменение механических свойств (после клеточной стенки игла не встречала достаточного сопротивления от цитоплазмы клетки). Разрыв произошел при силе в 20 наноньютон на глубине в 373 нанометра, что приблизительно равно половине диаметра кишечной палочки.
В отличие от экспериментов с вирусами, у кишечной палочки ученые обнаружили задержку в пару секунд между проколом клеточной стенки и увеличением флуоресценции йодида пропидиума. Чтобы проверить, не мешает ли сама игла проникновению в клетку, физики оставили иглу в кишечной палочке на пять-десять секунд — проникновение вещества началось только после вытаскивания иглы. Такое поведение может быть связано не только с блокировкой отверстия иглой, но и с более сложной диффузией йодида пропидиума по поврежденной бактерии.
Далее ученые проследили за физиологическим состоянием клетки во время надавливания с разной силой по периоду колебаний белковой системы Min, которая определяет положение клеточной стенки при делении, что напрямую связано с ее общим состоянием. До надавливания период колебаний составил 63 секунды, при слабом надавливании с силой в пять наноньютонов период незначительно повысился, а при силе в 45 наноньютонов колебания прекратились полностью. Примечательно, что при последовательных надавливаниях с силой в два наноньютона колебания белковой системы также прекращаются, хотя разрушения клеточной оболочки не происходит.
Авторы заключили, что для разрушения клеточной оболочки кишечной палочки необязательно ее протыкать: можно просто на нее много раз надавить — и бактерия все равно перестанет функционировать. Именно поэтому для подобного механо-бактерицидного эффекта подойдут, например, и коллоидные продолговатые наночастицы, которые могут перемещаться по всему объему раствора и многократно надавливать на стенки бактерий.
Сфера традиционных химических антибиотиков тоже развивается: месяц назад американские ученые представили новый препарат, не вызывающий резистентность. Бактерии не смогли выработать устойчивость из-за двойного механизма воздействия вещества SCH-79797 — он влияет сразу на клеточную мембрану и метаболизм фолатов.
Артем Моськин
Причина оказалась в реакции на воспаление
Неврологи из Национального института здоровья США описали патогенез синдрома хронической усталости у пациентки, болевшей раком молочной железы и волчанкой. У нее обнаружили повышенную активность белка WASF3, мешающего сборке и скоординированной работе электрон-транспортной цепи митохондрий. Гиперактивация WASF3 возникла в ответ на системное воспаление, в результате снизилась эффективность тканевого дыхания, а вместе с ней и переносимость физической нагрузки. Наблюдение опубликовано в журнале Proceedings of the National academy of sciences. Центральное место в возникновении миалгического энцефаломиелита-синдрома хронической усталости занимает ответ организма на воспаление. Часто синдром связан с повышением уровня провоспалительных цитокинов, а проявления включают не только слабость и повышенную утомляемость, но и такие физические симптомы и молекулярные проявления, как снижение аэробных возможностей организма и изменение липидного обмена лимфоцитов. Патогенез синдрома пока не расшифрован до конца: лишь часть случаев синдрома хронической усталости удается объяснить последствием инфекций, а популяционно-генетические исследования плохо справляются с объяснением, почему у одних людей возникает синдром хронической усталости или похожий по проявлениям синдром поствирусной усталости, а у других — нет. Неврологи из Американского национального института здоровья под руководством Пола Хвана (Paul M. Hwang) обнаружили еще один механизм возникновения синдрома хронической усталости, обследуя пациентку с синдромом Ли-Фраумени. Это наследственное заболевание вызвано мутацией в антионкогене TP53 и проявляется злокачественными опухолями начиная с молодого возраста. У 38-летней женщины, перенесшей две опухоли молочной железы и болеющей системной красной волчанкой, с 16 лет регулярно возникали боли в мышцах ног после неинтенсивных физических нагрузок, а обследование у неврологов и ревматологов не позволило обнаружить причину симптомов. Пациентка была направлена в центр, занимающийся изучением митохондриальных заболеваний — ведь митохондриальные дисфункции часто сопровождаются мышечными симптомами, а белок p53 влияет напрямую на митохондрии. Ученые обнаружили, что у пациентки примерно в два раза снижена скорость восстановления мышечных запасов креатинфосфата и активность IV комплекса дыхательной цепи митохондрий. Причем снижены не только в сравнении со здоровыми людьми, но и в сравнении с родным братом пациентки, носителем той же мутации в TP53, не болевшим опухолями или аутоиммунными заболеваниями. В мышечных клетках у сестры было больше активной (фосфорилированной) формы белка p53, чем у брата, а причиной тому, как выяснили ученые, является повышенная активность белка WASF3. Функции этого внутриклеточного белка касаются ремоделирования цитоскелета и регуляции синтеза АТФ в митохондриях, но через цепочку посредников белок влияет и на активность p53. Ученые создали несколько линий мышей с гиперактивированным или выключенным WASF3 и выяснили, что WASF3 нарушает организацию III и IV комплексов электрон-транспортной цепи митохондрий на мембране и ускоряет деградацию IV (цитохром с-оксидазного) комплекса. Эффективность работы дыхательной цепи максимальна, когда два комплекса находятся в непосредственной близости друг от друга в соотношении 2:1, а нарушение пропорции снижает КПД клеточного дыхания. Мыши с несколькими копиями WASF3 показывали более низкие результаты в беговых упражнениях. У пациентки же повышение активности WASF3 было связано с посттрансляционными модификациями белка, но не имело геномной подоплеки и не сопровождалось изменениями транскриптома клеток. Нарушения энергетического обмена в клетках иммунной и нервной системы при синдроме хронической усталости были известны и раньше, но находка американских врачей подчеркивает, что данные отдельно геномики или протеомики не всегда эффективны в расшифровки патогенеза болезней, в которых тесно переплетены геномные факторы и ответ на действие внешней среды. Изучению патогенеза синдрома хронической усталости во многом поспособствовал постковидный синдром, имеющий похожие звенья патогенеза и клиническую картину. Но мы рассказывали и о других факторах, ухудшающих работу мышц — в частности, о том, как прием антигистаминных препаратов снижает тренируемость.