Смотрим, как бактерии «поглощают» чужеродную ДНК
Ученые засняли на видео процесс генетической трансформации у холерных вибрионов
Распространение новых признаков среди бактерий возможно не только «вертикально», от родителей к потомству, но и горизонтальным переносом — между клетками в популяции. Происходит это за счет генетической трансформации, поглощения клеткой случайных свободных цепочек ДНК из внешней среды и встраивания их в собственный геном. В каждый момент лишь незначительная часть популяции бактерий способна к «восприятию» чужой ДНК, однако эти так называемые компетентные клетки играют важнейшую роль в выживании. Их оболочки становятся более проницаемыми, а для поглощения ДНК используются секреторные пили — специализированные выросты на поверхности.
У бактерий обнаружено, по меньшей мере, пять основных классов специализированных секреторных систем, которые обозначаются цифрами от I до V. Четвертый класс секреторной системы (пили IV типа) отвечает за перенос ДНК и за секрецию факторов патогенности, проявляет сходство с системой конъюгации бактерий и эволюционно произошел из нее. При трансформации бактерий чужеродной ДНК пили IV связываются с ней и обеспечивают ее транспорт через поры на внешней мембране (клеточной стенке). Ранее процесс бактериальной трансформации визуализировали с помощью электронного микроскопа, однако полученное статичное изображение не давало возможности детально понять механизм и стадии переноса ДНК в клетку. Кроме того, на фото бывает трудно, а порой и невозможно отличить, происходит ли связывание ДНК с пилями или молекула вводимой нуклеиновой кислоты лишь колокализована рядом с бактериальными пилями.
Группе ученых из университета Индианы во главе с Анкуром Далией впервые удалось увидеть этот процесс в динамике с помощью микроскопической видеосъемки. Применяя стандартные методы индукции компетентности у холерных вибрионов, исследователи моделировали состояние естественной трансформации последних. Чтобы отследить процесс трансформации вибрионов, проводилось мечения флуоресцентными красителями вводимой ДНК и пилей IV типа. Так как бактериальные пили представляют собой динамические образования, претерпевающие постоянные процессы полимеризации/деполимеризации, то флуоресцентная метка к ним присоединялась через основную, «коровую» субъединицу – PilA.
Динамическое наблюдение за ходом трансформации позволило сделать вывод, что для того, чтобы чужеродная двухцепочечная ДНК смогла проникнуть в клетку, ей необходимо связаться непосредственно с вершиной пили, а затем «втянуться» внутрь клетки. По словам авторов, этот процесс напоминает шитье ниткой. Так как ширина поры в клеточной стенке всего лишь в два раза больше толщины двухцепочечной ДНК, необходима «иголка», протискивающая и направляющая молекулу через клеточную стенку. Преодолев плотную клеточную стенку и пептидогликановый слой, ДНК подхватывается белковым комплексом ComEA (интегральный мембранный белок, играющий важную роль в интернализации ДНК в ходе трансформации), обеспечивающим ее дальнейший транспорт через бактериальную мембрану.
В приложенном видео ДНК помечена красным, а пили - зеленым цветом.