واضح‌ترین تصاویری که تاکنون از باکتری‌های زنده توسط محققان UCL ثبت شده است، معماری پیچیده لایه محافظی را که بسیاری از باکتری‌ها را احاطه کرده و کشتن آن‌ها توسط آنتی‌بیوتیک‌ها را سخت‌تر می‌کند، آشکار می‌کند. با کمال تعجب، این تصاویر پچ های زیادی را در سطح باکتری نشان می دهد که به نظر می رسد حاوی پروتئین نیستند. این تکه‌ها حاوی گلیکولیپید هستند که معمولاً در سطح باکتری‌های گرم منفی یافت می‌شوند.

این مطالعه که این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده منتشر شد و با همکاری دانشمندان آزمایشگاه فیزیک ملی، کینگز کالج لندن، دانشگاه آکسفورد و دانشگاه پرینستون انجام شد، نشان می‌دهد که باکتری‌هایی با لایه‌های بیرونی محافظ – به نام باکتری های گرم منفی – ممکن است نقاط قوی تر و ضعیف تری روی سطح خود داشته باشند.

این تیم دریافت که غشای خارجی محافظ باکتری حاوی شبکه‌های متراکمی از بلوک‌های سازنده پروتئین است که به طور متناوب در کنار تکه‌هایی که به نظر می‌رسد حاوی پروتئین نیستند، قرار گرفته اند. در عوض، این تکه‌ها غنی از مولکول‌هایی با زنجیره‌های قندی (گلیکولیپیدها)  هستند که غشای خارجی را محکم نگه می‌دارند.

این مسئله یک یافته مهم است، زیرا غشای خارجی سخت باکتری های گرم منفی از نفوذ برخی داروها و آنتی بیوتیک ها به سلول جلوگیری می کند: این غشای خارجی بخشی از دلیل مقاومت آنتی میکروبی برخی از باکتری ها (از جمله آ. بومانی، سودوموناس آئروژینوزا و انتروباکتریاسه ها مانند سالمونلا و E. coli) است که در حال حاضر بعنوان تهدید بزرگ تری از باکتری های گرم مثبت مانند استافیلوکوکوس  آرئوس مقاوم (معروف به MRSA) در نظر گرفته می شود.

غشای بیرونی یک سد بزرگ در برابر آنتی بیوتیک ها است و عامل مهمی در مقاوم کردن باکتری های عفونی به درمان پزشکی است. پروفسور بارت هوگنبوم (مرکز نانوتکنولوژی لندن و فیزیک و نجوم UCL ) توضیح داد: با این حال، نحوه کنار هم قرار گرفتن این مانع نسبتاً نامشخص است، به همین دلیل است که ما تصمیم گرفتیم آن را با چنین جزئیاتی مطالعه کنیم.

با مطالعه باکتری‌های زنده از مقیاس مولکولی تا سلولی، می‌توانیم ببینیم که چگونه پروتئین‌های غشایی شبکه‌ای را تشکیل می‌دهند که کل سطح باکتری را می‌پوشاند و شکاف‌های کوچکی را برای تکه‌هایی که حاوی پروتئین نیستند، ایجاد می‌کنند. این نشان می‌دهد که ممکن است مانع در سراسر باکتری برای شکستن یا کشیده شدن به یک اندازه سخت نباشد، اما ممکن است نقاط قوی‌تر و ضعیف‌تری داشته باشد که می‌تواند توسط آنتی‌بیوتیک‌ها نیز مورد هدف قرار گیرد.

برای درک بهتر این معماری، دانشمندان یک سوزن کوچک را روی دیواره باکتری‌Escherichia coli  زدند و به این ترتیب شکل کلی آنها را “احساس کردند”. از آنجایی که نوک سوزن تنها چند نانومتر عرض دارد، این امر امکان تجسم ساختارهای مولکولی در سطح باکتری را فراهم می کند.

تصاویر به دست آمده نشان می دهد که کل غشای خارجی باکتری مملو از سوراخ های میکروسکوپی تشکیل شده توسط پروتئین هایی است که اجازه ورود مواد مغذی را می دهد و در عین حال از ورود سموم جلوگیری می کند. اگرچه غشای بیرونی حاوی پروتئین های زیادی شناخته شده بود، اما این طبیعت شلوغ و بی حرکت غیرمنتظره بود.

با کمال تعجب، این تصاویر همچنین تکه‌های زیادی را نشان دادند که به نظر نمی‌رسید حاوی پروتئین باشند. این تکه‌ها حاوی گلیکولیپید هستند که معمولاً در سطح باکتری‌های گرم منفی یافت می‌شوند. علاوه بر این، نوع متفاوتی از لکه‌های جوش مانند زمانی که قسمت‌هایی از غشاء به دلیل جهش‌ها به داخل و خارج جابجا می شدند، تشکیل می‌شد. در این مورد، ظهور این نقایص با افزایش حساسیت به باسیتراسین، یک آنتی بیوتیک که معمولاً فقط در برابر باکتری های گرم مثبت مؤثر است، اما در برابر باکتری های گرم منفی اثری ندارد، مرتبط بود.

همانطور که توسط جورجینا بن، که کار میکروسکوپی روی باکتری را در آزمایشگاه پروفسور هوگنبوم در UCL انجام داد، توضیح داده شده است: «تصاویر قبلی غشای خارجی باکتری، پروتئین‌هایی را نشان می‌دهد که به‌طور نامنظم روی غشاء توزیع شده و به خوبی با سایر اجزای سازنده غشاء مخلوط شده‌اند. در حالی که تصاویر ما نشان می‌دهند که اینطور نیست، تکه‌های لیپید از شبکه‌های غنی از پروتئین درست مانند جدا شدن روغن از آب جدا می‌شوند و در برخی موارد باعث ایجاد شکاف‌هایی در زره باکتری‌ها می‌شوند. این روش جدید برای نگاه کردن به غشای خارجی به این معنی است که اکنون می‌توانیم بررسی کنیم که آیا و چگونه چنین نظمی برای عملکرد غشاء، یکپارچگی و مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها اهمیت دارد. این تیم همچنین حدس می‌زند که این یافته‌ها ممکن است به توضیح راه‌هایی کمک کند که باکتری‌ها می‌توانند از طریق آن‌ها یک سد محافظ محکم بسته بندی شده داشته باشند  که در عین حال اجازه رشد سریع را می دهد: اندازه باکتری  اشرشیا کلی در این حالت دو برابر می‌شود و سپس در 20 دقیقه در شرایط مساعد تقسیم می‌شود. آنها پیشنهاد می‌کنند که تکه‌های گلیکولیپید ممکن است باعث کشش بیشتر غشاء نسبت به شبکه‌های پروتئینی شوند و سازگاری غشاء با اندازه در حال رشد باکتری را آسان‌تر کند.

این تصاویر توسط میکروسکوپ نیروی اتمی و از دیواره باکتری اشرشیا کلی گرفته شده است.

منبع:

Phase separation in the outer membrane of Escherichia coli, PNAS November 2, 2021, 118 (44) e2112237118; https://doi.org/10.1073/pnas.2112237118