Peress li n-nies iddeskrivew l-ewwel spori batteriċi - batterji inerti u rieqda - aktar minn 150 sena ilu, riċerkaturi mill-Iskola Medika ta 'Harvard fl-Istati Uniti solvew puzzle għall-bijoloġisti fi studju ġdid. Huma skoprew klassi ġdida ta 'proteini sensing taċ-ċelluli li jippermettu li l-ispori jiskopru nutrijenti preżenti fl-ambjent tagħhom u jirrestawraw malajr il-vitalità.
Ġie ppruvat li dawn il-proteini sensing huma kanali joniċi li jgħaddu mill-membrana taċ-ċellula u jibqgħu magħluqa waqt ir-rqad, iżda jinfetħu malajr meta jiskopru nutrijenti. Ladarba jinfetħu, dawn il-kanali tal-joni jippermettu li jonji ċċarġjati joħorġu mill-membrana taċ-ċellula, u jibdew it-twaqqigħ tal-qoxra protettiva tal-ispori u jibdew proċessi metaboliċi wara snin jew saħansitra sekli ta 'rqad. Dawn is-sejbiet jistgħu jgħinu fit-tfassil ta 'mod li jipprevjenu spori batteriċi perikolużi milli rqad għal xhur jew saħansitra snin u jqumu mill-ġdid, li jwassal għal tifqigħa tal-mard. Ir-riżultati tar-riċerka rilevanti ġew ippubblikati fil-ħarġa tat-28 ta 'April, 2023 tal-ġurnal Science, bit-titlu "Ir-riċevituri tat-tnaqqis tal-ispori ta' l-isfond huma kanali tal-joni b'mod nutrittiv".
David Rudner, l-awtur korrispondenti tal-karta u professur tal-mikrobijoloġija fl-Istitut Bravatnik ta 'Harvard Medical School, qal, "Din l-iskoperta solviet problema li ilha teżisti għal aktar minn seklu. Meta s-sistemi batterjali huma kważi kompletament magħluqa f'dan il-protezzjoni. qoxra, kif il-batterji jipperċepixxu bidliet fl-ambjent u jieħdu azzjoni biex ikissru r-rqad?"
Kif terġa 'titqajjem batterji fissi
Sabiex jgħixu taħt kundizzjonijiet ambjentali mhux favorevoli, xi batterji jidħlu fi stat rieqed u jsiru spori. Il-proċessi bijoloġiċi huma sospiżi, u ċ-ċelloli tagħhom huma mdawra minn saffi multipli ta 'qxur protettiv. Dawn il-qxur protettiv inerti jippermettu lill-batterji jistennew it-tmiem tal-ġuħ u jipproteġu lilhom infushom minn sħana estrema, nixfa, radjazzjoni ultravjola, kimiċi irritanti, u antibijotiċi.
Għal aktar minn seklu, ix-xjentisti ilhom jafu li meta l-ispori jiskopru nutrijenti fl-ambjent tagħhom, malajr ineħħu l-qxur protettiv tagħhom u jerġgħu jqabbdu l-magni metaboliċi tagħhom. Għalkemm il-proteini sensing li jippermettulhom jiskopru n-nutrijenti ġew skoperti kważi 50 sena ilu, il-metodu ta 'trażmissjoni ta' sinjali ta 'wake-up u kif dan is-sinjal iqajjem l-irkupru batterjali għadhom misteru.
Fil-biċċa l-kbira tal-każijiet, it-trasduzzjoni tas-sinjali tiddependi fuq attività metabolika u ħafna drabi tinvolvi ġeni li jikkodifikaw proteini biex jimmanifatturaw molekuli ta 'sinjalazzjoni speċifiċi. Madankollu, dawn il-proċessi huma magħluqa fi ħdan batterji fissi, li tqajjem il-kwistjoni ta 'kif dan is-sinjal jinduċi batterji fissi biex jirkupraw.
F'dan l-istudju l-ġdid, Rudner u t-tim tiegħu sabu li l-proteina li tissensja n-nutrijenti nnifisha tinġabar f'kondjuwit, li jippermetti li ċ-ċelloli batterjali jerġgħu jibdew jaħdmu. Meta jirreaġixxi għan-nutrijenti, dan il-pipeline (kanal tal-jone tal-membrana) jinfetaħ, u jippermetti li l-joni joħorġu minn ġewwa l-ispori. Dan jibda serje ta 'reazzjonijiet, li jikkawża ċelluli inattivi biex ineħħu l-qoxra protettiva tagħhom u jerġgħu jibdew it-tkabbir.
Dawn l-awturi użaw diversi metodi biex isegwu t-tidwir ta’ dan il-misteru. Huma wżaw għodod ta 'intelliġenza artifiċjali biex ibassru l-istruttura ta' dan il-kumpless ta 'proteini sensing mitwija, li jikkonsisti f'ħames kopji tal-istess proteina sensing. Huma japplikaw it-tagħlim tal-magni biex jiddeterminaw l-interazzjonijiet bejn is-subunitajiet li jiffurmaw dan il-kanal tal-joni. Huma użaw ukoll it-teknoloġija tal-editjar tal-ġenoma biex jinduċu batterji jipproduċu mutanti tal-proteini tas-sensuri, sabiex jittestjaw kif taħdem il-previżjoni bbażata fuq il-kompjuter fiċ-ċelloli ħajjin.
Rudner qal, "Ħaġa li jogħġobni fix-xjenza hija li meta tagħmel skoperta, dawn l-osservazzjonijiet irrilevanti kollha f'daqqa jsiru sinifikanti. Qisu meta tkun qed tagħmel puzzle, issib il-pożizzjoni ta' puzzle, u f'daqqa waħda tista' malajr tidħol. sitt biċċiet oħra tal-puzzle
Rudner iddeskriva l-proċess ta’ skoperta f’dan l-istudju bħala serje ta’ osservazzjonijiet konfużi li gradwalment ħadu forma, grazzi għall-isforzi kollaborattivi ta’ grupp ta’ riċerkaturi b’perspettivi differenti. Matul dan il-proċess, huma kontinwament kellhom osservazzjonijiet sorprendenti u konfużi, li taw ħjiel għal xi tweġibiet apparentement impossibbli.
Splicing ħjiel flimkien
Meta r-riċerkatur tal-Laboratorju Rudner Yongqiang Gao wettaq serje ta 'esperimenti b'Bacillus subtilis, ħarġet ħjiel bikri. Gao introduċa l-ġeni ta' batterji oħra li jiffurmaw l-ispori f'Bacillus subtilis biex jesplora l-idea li l-proteini mhux imqabbla prodotti b'hekk jinterferixxu mal-ġerminazzjoni tal-ispori. Għall-sorpriża tiegħu, Gao sab li f'xi każijiet, spori batteriċi fissi jistgħu perfettament iqumu wara li jużaw sett ta 'proteini minn batterji bogħod.
Matul dan l-istudju, Rudner Laboratory post-dottorat Lior Artzi ipprovda spjegazzjoni għall-iskoperta ta 'Gao. Jekk dan it-tip ta 'proteina sensing hija riċettur, taġixxi bħal bieb magħluq qabel ma tiskopri sinjal (f'dan il-każ nutrijent bħal zokkor jew aċidu amminiku). Ladarba tali proteini sensing jorbtu man-nutrijenti, dawn jinfetħu, u jippermettu li l-joni joħorġu mill-ispori.
Fi kliem ieħor, dawn il-proteini minn batterji b'relazzjonijiet ġenetiċi mbiegħda m'għandhomx għalfejn jinteraġixxu ma 'proteini spori mhux imqabbla ta' Bacillus subtilis, iżda jirrispondu biss għal bidliet fl-istat elettriku ta 'l-ispori meta l-joni jibdew jiċċirkolaw.
Rudner inizjalment kellu attitudni xettika lejn din l-ipoteżi, peress li tali riċetturi ma kinux jaqblu ma 'din il-karatteristika. Huma għandhom kważi l-ebda karatteristiċi ta 'kanali tal-joni. Madankollu, Artzi jemmen li tali proteini sensing jistgħu jkunu komposti minn subunitajiet multipli u jaħdmu flimkien fi struttura aktar kumplessa.
L-intelliġenza artifiċjali turi l-ħiliet tagħha
Rudner Laboratory post-dottorat Jeremy Amon huwa utent bikri ta 'AlphaFold, għodda ta' intelliġenza artifiċjali li tista 'tbassar l-istruttura ta' proteini u kumplessi ta 'proteini.
Din l-għodda ta 'intelliġenza artifiċjali tbassar l-assemblaġġ ta' subunità speċifika tar-riċettur f'ċirku pentamer. L-istruttura prevista tinkludi kanal li jinsab fin-nofs li jippermetti li l-joni jgħaddu mill-membrana tal-ispora. Il-previżjoni ta 'din l-għodda ta' intelliġenza artifiċjali tikkoinċidi ma 'l-raden ta' Artzi.
Gao, Artzi, u Amon sussegwentement ikkollaboraw biex jittestjaw dan il-mudell ġġenerat mill-intelliġenza artifiċjali. Huma ħadmu mill-qrib mal-post-dottorat Fernando Ram í rez Guadiana ta 'Rudner Lab, Andrew Kruse, professur tal-bijokimika u farmakoloġija molekulari ta' Harvard Medical School, u Deborah Marks, professur assoċjat tal-bijoloġija tas-sistema u bijologu komputazzjonali ta 'Harvard Medical School.
Huma użaw is-subunitajiet tar-riċetturi mibdula biex jimmodifikaw l-ispori, li kienu mistennija li jwessgħu dan il-kanal tal-joni tal-membrana u sabu li l-ispori jinxtegħlu mingħajr sinjali tan-nutrijenti. Min-naħa tagħhom, ipproduċew subunitajiet tar-riċetturi mutati, li huma mbassru li jnaqqas id-daqs tal-pori tal-kanal tal-joni. Dawn l-ispori naqsu milli jiftħu l-bieb għar-rilaxx tal-joni u ma setgħux iqumu mill-istat ta 'mistrieħ tagħhom anki meta nutrijenti suffiċjenti wassluhom biex jinħelsu mir-rqad.
Fi kliem ieħor, devjazzjoni żgħira mill-konfigurazzjoni mbassra tal-kumpless tal-proteina ta 'sensing mitwi tista' tikkawża li l-mogħdija tal-joni tinfetaħ jew tingħalaq, u tagħmilha inutli bħala għodda għall-qawmien ta 'batterji fissi.
Impatt fuq is-saħħa tal-bniedem u s-sikurezza tal-ikel
Rudner qal li l-fehim kif il-batterji fissi jistgħu jerġgħu jġibu l-ħajja mhux biss sfida intellettwali li tħajjar, iżda għandha wkoll impatt sinifikanti fuq is-saħħa tal-bniedem. Xi batterji li jistgħu jidħlu fi stat rieqed fil-fond għal żmien twil huma patoġeni perikolużi, anke fatali: l-arma tal-anthrax trab abjad hija magħmula minn spori batterjali.
Patoġenu perikoluż ieħor li jifforma l-ispori huwa Clostridium difficile, li jikkawża dijarea u kolite ta 'theddida għall-ħajja. Mard ikkawżat minn infezzjoni Clostridium difficile normalment iseħħ wara l-użu ta 'antibijotiċi, li jistgħu joqtlu ħafna batterji intestinali iżda m'għandhom l-ebda effett fuq l-ispori reqdin. Wara t-trattament, Clostridium difficile iqum mill-istat rieqed tiegħu u jista 'jipprolifera fi kwantitajiet kbar, ħafna drabi jirriżulta f'konsegwenzi katastrofiċi.
L-eliminazzjoni tal-ispori hija wkoll sfida ewlenija għall-impjanti tal-ipproċessar tal-ikel, peress li batterji inattivi jistgħu jirreżistu t-trattament tad-diżinfezzjoni minħabba l-qoxra protettiva u l-istat deidrat tagħhom. Jekk id-diżinfezzjoni ma tirnexxix, il-ġerminazzjoni u t-tkabbir tal-ispori jistgħu jikkawżaw mard serju mill-ikel u telf ekonomiku kbir.
Il-fehim ta 'kif l-ispori jipperċepixxu n-nutrijenti u jinħelsu malajr mir-rqad jista' jippermetti lix-xjentisti jiżviluppaw metodi li jqanqlu l-ġerminazzjoni tal-ispori aktar kmieni, potenzjalment jiddiżinfettaw batterji jew jipprevjenu l-ġerminazzjoni tal-ispori, jaqbduhom fil-qxur protettiv tagħhom, jipprevjenu t-tkabbir, il-proliferazzjoni, u jikkawżaw tħassir jew mard tal-ikel.