علم: افشای مکانیزم جدید جوانه زنی اسپور باکتریایی خفته

از زمانی که بیش از 150 سال پیش مردم برای اولین بار اسپورهای باکتریایی - باکتری های خنثی و خفته - را توصیف کردند، محققان دانشکده پزشکی هاروارد در ایالات متحده در یک مطالعه جدید معمایی را برای زیست شناسان حل کردند. آنها دسته جدیدی از پروتئین های حسگر سلولی را کشف کرده اند که هاگ ها را قادر می سازد مواد مغذی موجود در محیط خود را شناسایی کرده و به سرعت سرزندگی را بازیابی کنند.

ثابت شده است که این پروتئین‌های حس‌گر کانال‌های یونی هستند که از غشای سلولی عبور می‌کنند و در طول خواب بسته می‌مانند، اما زمانی که مواد مغذی را تشخیص می‌دهند به سرعت باز می‌شوند. پس از باز شدن، این کانال‌های یونی به یون‌های باردار اجازه می‌دهند تا از طریق غشای سلولی به بیرون جریان پیدا کنند و باعث ریزش پوسته محافظ هاگ‌ها و آغاز فرآیندهای متابولیکی پس از سال‌ها یا حتی قرن‌ها خواب شود. این یافته‌ها ممکن است به طراحی راهی برای جلوگیری از خوابیدن اسپورهای باکتریایی خطرناک برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها و بیدار شدن دوباره و منجر به شیوع بیماری کمک کند. نتایج تحقیقات مربوطه در شماره 28 آوریل 2023 مجله Science با عنوان "دریافت کننده های پس زمینه کاهش اسپور کانال های یونی دریچه ای مغذی هستند" منتشر شد.
دیوید رودنر، نویسنده مسئول مقاله و استاد میکروبیولوژی در موسسه براواتنیک دانشکده پزشکی هاروارد، گفت: "این کشف مشکلی را حل کرده است که بیش از یک قرن است وجود داشته است. زمانی که سیستم های باکتریایی تقریباً به طور کامل در این محافظ بسته می شوند. پوسته، چگونه باکتری ها تغییرات محیط را درک می کنند و برای شکستن خواب اقدام می کنند؟
چگونه باکتری های خفته را احیا کنیم
برای زنده ماندن در شرایط محیطی نامطلوب، برخی از باکتری ها وارد حالت خاموش شده و به هاگ تبدیل می شوند. فرآیندهای بیولوژیکی به حالت تعلیق درآمده و سلول های آنها توسط لایه های متعددی از پوسته های محافظ احاطه شده است. این پوسته‌های محافظ بی‌اثر به باکتری‌ها اجازه می‌دهد تا پایان قحطی منتظر بمانند و از خود در برابر گرمای شدید، خشکسالی، اشعه ماوراء بنفش، مواد شیمیایی تحریک‌کننده و آنتی‌بیوتیک‌ها محافظت کنند.
برای بیش از یک قرن، دانشمندان می‌دانستند که وقتی هاگ‌ها مواد مغذی را در محیط خود شناسایی می‌کنند، به سرعت پوسته‌های محافظ خود را جدا می‌کنند و موتورهای متابولیک خود را دوباره روشن می‌کنند. اگرچه پروتئین‌های حسگر که آنها را قادر می‌سازد مواد مغذی را شناسایی کنند، تقریباً 50 سال پیش کشف شد، روش انتقال سیگنال‌های بیدار شدن و چگونگی تحریک این سیگنال باعث بهبود باکتری‌ها می‌شود.
در بیشتر موارد، انتقال سیگنال به فعالیت متابولیک متکی است و اغلب شامل ژن‌هایی است که پروتئین‌ها را کد می‌کنند تا مولکول‌های سیگنال‌دهنده خاص را بسازند. با این حال، این فرآیندها در داخل باکتری‌های خفته بسته می‌شوند، که این سوال را مطرح می‌کند که چگونه این سیگنال باعث بهبود باکتری‌های خفته می‌شود.
در این مطالعه جدید، رودنر و تیمش دریافتند که پروتئین حسگر مواد مغذی خود در یک مجرا جمع می‌شود و به سلول‌های باکتری اجازه می‌دهد دوباره کار کنند. هنگام واکنش به مواد مغذی، این خط لوله (یک کانال یونی غشایی) باز می شود و به یون ها اجازه می دهد تا از داخل هاگ ها خارج شوند. این یک سری واکنش‌ها را آغاز می‌کند و باعث می‌شود سلول‌های خفته پوسته محافظ خود را جدا کرده و رشد خود را از سر بگیرند.

این نویسندگان از روش های مختلفی برای ردیابی پیچ و خم های این رمز و راز استفاده کردند. آنها ابزارهای هوش مصنوعی را برای پیش‌بینی ساختار این مجتمع پروتئین حساس تاشو پیچیده، متشکل از پنج نسخه از همان پروتئین حسگر، به کار گرفتند. آنها از یادگیری ماشینی برای تعیین برهمکنش بین زیر واحدهایی که این کانال یونی را تشکیل می دهند استفاده می کنند. آنها همچنین از فناوری ویرایش ژنوم برای وادار کردن باکتری‌ها به تولید جهش‌یافته پروتئین حسگر استفاده کردند تا آزمایش کنند که چگونه پیش‌بینی مبتنی بر رایانه در سلول‌های زنده کار می‌کند.
رودنر گفت: "یک چیزی که من در مورد علم دوست دارم این است که وقتی کشفی می کنی، همه این مشاهدات بی ربط ناگهان معنی دار می شوند. مثل این است که وقتی در حال انجام یک پازل هستید، موقعیت یک پازل را پیدا می کنید و ناگهان می توانید به سرعت جا بیفتید. شش قطعه پازل دیگر
رودنر فرآیند کشف در این مطالعه را مجموعه ای از مشاهدات گیج کننده توصیف کرد که به لطف تلاش های مشترک گروهی از محققان با دیدگاه های مختلف، به تدریج شکل گرفت. در طول این فرآیند، آنها دائما مشاهدات غافلگیرکننده و گیج کننده ای داشتند که به برخی از پاسخ های به ظاهر غیرممکن اشاره می کرد.
پیوند سرنخ ها با هم
زمانی که یونگ کیانگ گائو، محقق آزمایشگاه رودنر، مجموعه ای از آزمایش ها را با باسیلوس سوبتیلیس انجام داد، یک سرنخ اولیه پیدا شد. گائو ژن های دیگر باکتری های تشکیل دهنده هاگ را به Bacillus subtilis معرفی کرد تا این ایده را کشف کند که پروتئین های نامتناسب تولید شده در آن می تواند در جوانه زنی هاگ تداخل ایجاد کند. در کمال تعجب، گائو دریافت که در برخی موارد، هاگ های باکتریایی خفته می توانند پس از استفاده از مجموعه ای از پروتئین های باکتری های دور، کاملاً بیدار شوند.
در طول این مطالعه، لیور آرتزی، فوق دکترای آزمایشگاه رودنر، توضیحی برای کشف گائو ارائه کرد. اگر این نوع پروتئین حسگر یک گیرنده باشد، قبل از تشخیص سیگنال (در این مورد یک ماده مغذی مانند قند یا اسید آمینه) مانند یک در بسته عمل می کند. هنگامی که چنین پروتئین های حسی به مواد مغذی متصل می شوند، باز می شوند و به یون ها اجازه می دهند از هاگ ها خارج شوند.
به عبارت دیگر، این پروتئین‌های حاصل از باکتری‌ها با روابط ژنتیکی دور، نیازی به تعامل با پروتئین‌های اسپور نامتناسب باسیلوس سوبتیلیس ندارند، بلکه تنها زمانی که یون‌ها شروع به جریان می‌کنند، به تغییرات در وضعیت الکتریکی اسپورها پاسخ می‌دهند.
رودنر در ابتدا نسبت به این فرضیه نگرش بدبینانه ای داشت، زیرا چنین گیرنده هایی با این ویژگی مطابقت نداشتند. آنها تقریباً هیچ ویژگی کانال های یونی ندارند. با این حال، آرتزی معتقد است که چنین پروتئین های حسی ممکن است از چندین زیر واحد تشکیل شده و در ساختار پیچیده تری با هم کار کنند.
هوش مصنوعی مهارت های خود را به نمایش می گذارد
جرمی آمون، فوق دکترای آزمایشگاه رودنر، یکی از کاربران اولیه AlphaFold، ابزار هوش مصنوعی است که می‌تواند ساختار پروتئین‌ها و مجتمع‌های پروتئینی را پیش‌بینی کند.
این ابزار هوش مصنوعی مونتاژ یک زیر واحد گیرنده خاص را در یک حلقه پنتامر پیش‌بینی می‌کند. ساختار پیش بینی شده شامل یک کانال واقع در وسط است که به یون ها اجازه می دهد از غشای اسپور عبور کنند. پیش بینی این ابزار هوش مصنوعی با حدس آرتزی مطابقت دارد.
گائو، آرتزی و آمون متعاقباً برای آزمایش این مدل تولید شده از هوش مصنوعی همکاری کردند. آنها از نزدیک با فرناندو رام رز گوادیانا فوق دکترا از آزمایشگاه رودنر، اندرو کروز، استاد بیوشیمی و فارماکولوژی مولکولی دانشکده پزشکی هاروارد، و دبورا مارکس، دانشیار زیست شناسی سیستم و زیست شناس محاسباتی دانشکده پزشکی هاروارد کار کردند.
آنها از زیرواحدهای گیرنده تغییر یافته برای اصلاح هاگ ها استفاده کردند که انتظار می رفت این کانال یونی غشایی را گسترش دهند و دریافتند که هاگ ها بدون سیگنال های مواد مغذی بیدار می شوند. به نوبه خود، آنها زیر واحدهای گیرنده جهش یافته را تولید کردند که پیش بینی کردند اندازه منافذ کانال یونی را کاهش می دهد. این هاگ ها نتوانستند دروازه آزادسازی یون ها را باز کنند و حتی زمانی که مواد مغذی کافی آنها را وادار به رهایی از خواب می کرد، قادر به بیدار شدن از حالت استراحت خود نبودند.
به عبارت دیگر، یک انحراف جزئی از پیکربندی پیش‌بینی‌شده مجموعه پروتئین حس‌گر چین خورده می‌تواند باعث باز یا بسته شدن مسیر یونی شود و آن را به عنوان ابزاری برای بیدار کردن باکتری‌های خفته بی‌فایده کند.
تاثیر بر سلامت انسان و ایمنی مواد غذایی
رودنر گفت که درک اینکه چگونه باکتری های خفته می توانند زندگی را بازگردانند نه تنها یک چالش فکری وسوسه انگیز است، بلکه تأثیر قابل توجهی بر سلامت انسان دارد. برخی از باکتری ها که می توانند برای مدت طولانی وارد حالت خواب عمیق شوند، خطرناک و حتی پاتوژن های کشنده هستند: سلاح سیاه سیاه پودری سفید از هاگ های باکتری تشکیل شده است.
یکی دیگر از پاتوژن های خطرناکی که هاگ تشکیل می دهد کلستریدیوم دیفیسیل است که باعث اسهال و کولیت تهدید کننده زندگی می شود. بیماری‌های ناشی از عفونت کلستریدیوم دیفیسیل معمولاً پس از مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها رخ می‌دهد که می‌تواند بسیاری از باکتری‌های روده را از بین ببرد، اما تأثیری بر هاگ‌های خفته ندارد. پس از درمان، کلستریدیوم دیفیسیل از حالت خفته خود بیدار می شود و ممکن است در مقادیر زیادی تکثیر شود که اغلب منجر به عواقب فاجعه بار می شود.
از بین بردن هاگ ها همچنین یک چالش اصلی برای کارخانه های فرآوری مواد غذایی است، زیرا باکتری های خفته به دلیل پوسته محافظ و حالت دهیدراته می توانند در برابر ضد عفونی مقاومت کنند. اگر ضد عفونی موفقیت آمیز نباشد، جوانه زدن و رشد هاگ می تواند باعث بیماری های جدی ناشی از مواد غذایی و خسارات اقتصادی هنگفتی شود.
درک اینکه چگونه هاگ ها مواد مغذی را درک می کنند و به سرعت از خواب رها می شوند، می تواند دانشمندان را قادر سازد تا روش هایی را توسعه دهند که جوانه زنی هاگ را زودتر آغاز کند، به طور بالقوه باکتری ها را ضدعفونی کند یا از جوانه زنی هاگ جلوگیری کند، آنها را در پوسته محافظ آنها به دام انداخت، از رشد، تکثیر و ایجاد فساد یا بیماری مواد غذایی جلوگیری کرد.