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    I biologi scoprono il senso del tatto dei batteri

    Pili (verde) nelle cellule del batterio Caulobacter crescentus (arancia). Gli scienziati dell'UI hanno usato una molecola di maleimmide fluorescente per colorare le proteine ​​pilina che contenevano una molecola di cisteina, che è stato introdotto al posto di uno degli amminoacidi del pili. Credito:Courtney Ellison, Università dell'Indiana

    Uno studio condotto da ricercatori dell'Università dell'Indiana, pubblicato il 26 ottobre sulla rivista Scienza , riporta un nuovo metodo per determinare come i batteri percepiscono il contatto con le superfici, un'azione che innesca la formazione di biofilm, strutture multicellulari che causano gravi problemi di salute nelle persone e minacciano le infrastrutture critiche, come i sistemi idrici e fognari.

    Si stima che i biofilm contribuiscano a circa il 65% delle infezioni umane e causino miliardi di spese mediche ogni anno. Hanno svolto un ruolo infame nei livelli di coliformi non sicuri nell'approvvigionamento idrico di 21 milioni di americani nei primi anni '90 e, più recentemente, probabilmente ha avuto un ruolo in diversi focolai di malattia del legionario a Flint, Michigan. Inoltre contribuiscono regolarmente alle epidemie globali di colera.

    I biofilm causano gravi danni nell'industria, compreso l'intasamento dei sistemi di filtrazione dell'acqua o il rallentamento delle navi da carico mediante il "biofouling" degli scafi dei veicoli, che costa circa 200 miliardi di dollari all'anno solo negli Stati Uniti. Esistono anche biofilm benefici, come quelli che aiutano la digestione o aiutano a scomporre la materia organica nell'ambiente.

    I ricercatori, guidato da IU Distinguished Professor di Biologia Yves Brun, scoperto il modo in cui i batteri rilevano e si attaccano alle superfici. I ricercatori hanno anche scoperto un metodo per indurre i batteri a pensare di percepire una superficie.

    Il team ha dimostrato che i batteri utilizzano appendici simili a peli ultrasottili chiamate pili che si estendono dalla cellula e si ritraggono dinamicamente per sentire e aderire alle superfici e alla fine producono biofilm. I pili smettono di muoversi dopo aver rilevato una superficie, dopodiché i batteri iniziano a produrre una sostanza estremamente appiccicosa, o "bioadesivo, " che guida l'attaccamento alle superfici e la formazione di biofilm.

    Per ingannare i batteri affinché percepiscano una superficie, Il team di Brun ha attaccato una grande molecola di maleimmide al pili per bloccare efficacemente il movimento delle strutture simili a capelli.

    "È come cercare di tirare una corda con un nodo nel mezzo attraverso un foro:la molecola di maleimmide non può passare attraverso il foro che la cellula usa per estendere e ritrarre il pili, "ha detto Courtney Ellison, l'autore principale dello studio e un dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Brun.

    "Questi risultati ci hanno detto che i batteri percepiscono la superficie come un pescatore sa che la loro lenza è bloccata sott'acqua, " ha aggiunto Brun. "È solo quando si avvolgono nella lenza che percepiscono una tensione, che dice loro che la loro linea è stata catturata. I pili dei batteri sono le loro lenze".

    L'autrice principale Courtney Ellison, un dottorato di ricerca studente all'Università dell'Indiana, con l'autore senior Yves Brun, Illustre Professore IU, il cui laboratorio ha condotto lo studio. Credito:Università dell'Indiana

    La scoperta è possibile grazie al nuovo metodo del team per osservare come i batteri usano i pili per diffondere i biofilm. Hanno compiuto questa osservazione con coloranti a fluorescenza forniti da esperti, consegnati sul retro di molecole di maleimmide più piccole, che hanno rivelato il movimento di questi "arti" microscopici.

    "Utilizzando coloranti fluorescenti per etichettare queste strutture microscopiche, siamo in grado di produrre immagini che mostrano la prima prova diretta del ruolo che i pili svolgono nel rilevare le superfici, " ha detto Brun.

    Per osservare il movimento di pili, il team di IU ha dovuto superare una sfida:come visualizzare le strutture estremamente sottili e il loro movimento. Lo hanno fatto sostituendo un singolo amminoacido all'interno della catena di amminoacidi che compongono il pili con un altro amminoacido chiamato cisteina. La maleimmide, che ha consegnato i coloranti fluorescenti alle proteine ​​pili, si lega alla cisteina. La maleimmide è anche la molecola utilizzata per fornire la grande molecola alla cisteina nella proteina pili per bloccare fisicamente il movimento del pili.

    "È come accendere una luce in una stanza buia, " ha detto Ellison. " I pili sono composti da migliaia di subunità proteiche chiamate pilin, con ogni proteina della catena composta da amminoacidi disposti come un groviglio di luci di Natale bruciate. Scambiare una singola luce può illuminare l'intera stringa."

    Progettare una molecola di cisteina che potesse sostituire un amminoacido nei pilin senza influenzare il comportamento generale del pili è stata una grande sfida, lei ha aggiunto. I batteri utilizzati nell'esperimento erano Caulobacter crescentus, un batterio comunemente usato negli esperimenti di laboratorio.

    "Abbiamo anche usato questo metodo in questo studio per visualizzare i tre tipi di pili prodotti da Vibrio cholerae, un batterio che causa il colera, ", ha affermato il coautore dello studio Ankur Dalia, un assistente professore di biologia IU. "I pili sono fondamentali per molti aspetti della virulenza di Vibrio, e ora stiamo usando questo potente strumento per capire come li usano."

    Prossimo, Brun e colleghi sperano di svelare meccanismi precisi che collegano il movimento del pili e la produzione di bioadesivo, poiché i due processi sembrano correlati ma l'esatta natura della connessione rimane sconosciuta.

    "Più comprendiamo i meccanismi dei pili nella formazione e nella virulenza del biofilm, più siamo in grado di manipolare il processo per prevenire danni a persone e proprietà, " ha detto Brun.


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