Процесс, посредством которого фаги — вирусы, которые заражают и размножаются внутри бактерий — проникают в клетки, изучается уже более 50 лет. В своем исследовании ученые из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Техасского университета A&M использовали передовые методы, чтобы рассмотреть этот процесс на уровне отдельной клетки.
«В области фаговой биологии за последнее десятилетие произошел взрыв, поскольку все больше исследователей осознают значение фагов в экологии, эволюции и биотехнологии», — сказал профессор физики Идо Голдинг (CAIM/IGOH). «Эта работа уникальна, поскольку мы рассмотрели фаговую инфекцию на уровне отдельных бактериальных клеток».
Процесс фаговой инфекции включает прикрепление вируса к поверхности бактерии. После этого вирус впрыскивает свой генетический материал в клетку. После проникновения фаг может либо заставить клетку производить больше фагов и в конечном итоге взорваться, процесс, называемый клеточным лизисом, либо фаг может интегрировать свой геном в бактериальный и оставаться в состоянии покоя, процесс, называемый лизогенией. Результат зависит от того, сколько фагов одновременно заражают клетку. Один фаг вызывает лизис, в то время как заражение несколькими фагами приводит к лизогении.
В текущем исследовании ученые хотели выяснить, соответствует ли количество инфицирующих фагов, которые связываются с бактериальной поверхностью, количеству вирусного генетического материала, который вводится в клетку. Для этого они флуоресцентно пометили как белковую оболочку фагов, так и генетический материал внутри. Затем они вырастили Escherichia coli, использовали различные концентрации инфицирующих фагов и отслеживали, сколько из них смогли ввести свой генетический материал в E. coli.
«Мы знали с 70-х годов, что когда несколько фагов заражают одну и ту же клетку, это влияет на исход инфекции. В этой статье мы смогли провести точные измерения, в отличие от любого исследования, проведенного до сих пор», — сказал Голдинг.
Исследователи были удивлены, обнаружив, что проникновение генетического материала фага может быть затруднено другими коинфицирующими фагами. Они обнаружили, что когда на поверхности клетки было больше фагов, то относительно меньшее их количество могло проникнуть внутрь.
«Наши данные показывают, что первая стадия заражения, проникновение фага, является важным шагом, который ранее недооценивался», — сказал Голдинг. «Мы обнаружили, что коинфицирующие фаги препятствовали проникновению друг друга, нарушая электрофизиологию клетки».
Самый внешний слой бактерий постоянно имеет дело с движением электронов и ионов, которые имеют решающее значение для генерации энергии и передачи сигналов в клетку и из нее. За последнее десятилетие исследователи начали осознавать важность этой электрофизиологии в других бактериальных явлениях, включая устойчивость к антибиотикам. Эта статья открывает новое направление для исследований в области бактериальной электрофизиологии — ее роли в биологии фагов.
«Влияя на то, сколько фагов фактически проникает, эти возмущения влияют на выбор между лизисом и лизогенией. Наше исследование также показывает, что на проникновение могут влиять условия окружающей среды, такие как концентрация различных ионов», — сказал Голдинг.
Команда заинтересована в совершенствовании своих методов, чтобы лучше понять молекулярные основы проникновения фагов.
«Хотя разрешение наших методов было хорошим, то, что происходило на молекулярном уровне, по-прежнему оставалось для нас в значительной степени невидимым», — сказал Голдинг. «Мы рассматриваем возможность использования системы Minflux в Институте геномной биологии Карла Р. Воеза. План состоит в том, чтобы изучить тот же процесс, но применить лучший экспериментальный метод. Мы надеемся, что это поможет нам найти новую биологию».
