Bakterii Pseudomonas aeruginosa se může dařit v tak odlišných prostředích, jako je vlhká, teplá tkáň v našich plicích a suchý povrch kancelářské stěny zbavený živin. Taková přizpůsobivost ji činí problematickou ve zdravotnictví – kde způsobuje infekce v případech cystické fibrózy, rakoviny, HIV a dalších stavů s oslabenou imunitou – ale zároveň z ní činí fascinující předmět pro studium. Jak přežívají Pseudomonas v tolika prostředích? A můžeme tyto znalosti použít k jejich ovládání?
S podporou tříletého grantu ve výši 600 000 USD od National Science Foundation řeší tento problém výzkumnice Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) Blanca Barquera a zkoumá biochemické mechanismy, které chrání Pseudomonas v jeho mnoha stanovištích. Projekt staví na zkušenostech Barquery s transportními proteiny, molekulami na buněčné membráně, které slouží jako strážci mezi vnitřkem buňky a vnějším světem.
"Tyto organismy jsou schopny žít všude, v podmínkách s enormní rozmanitostí dodávek potravy, hladin solí, teploty, hladiny kyseliny/zásady a hladiny kyslíku. A my se musíme ptát – jak to mohou udělat? " řekl Barquera, docent biologických věd a člen Centra pro biotechnologie a interdisciplinární studia. "Aby organismy přežily v tolika různých prostředích, vnitřek buňky musí zůstat pohostinným místem pro biochemii života, bez ohledu na to, co se děje venku. A v membráně jsou proteiny, které jsou za to zodpovědné."
Ve své laboratoři se Barquera snaží porozumět mechanismům těchto proteinů – enzymů, které osidlují buněčnou membránu – a určit, jakou roli hrají proteiny a iontové gradienty, které vytvářejí, ve fyziologii buněk. Její práce poskytuje základní vhled do způsobů, jakými bakterie fungují, jak když jsou prospěšné, tak když jsou škodlivé.
Výzkum společnosti Barquera naplňuje vizi The New Polytechnic, vznikající paradigma pro vysokoškolské vzdělávání, které uznává, že globální výzvy a příležitosti jsou tak složité, že je nedokáže řešit ani ten nejtalentovanější člověk pracující sám. Rensselaer slouží jako křižovatka pro spolupráci – spolupracuje s partnery napříč obory, sektory a geografickými regiony při řešení globálních výzev – a řeší některé z nejnaléhavějších světových technologických výzev, od energetické bezpečnosti a udržitelného rozvoje po biotechnologie a lidské zdraví. Nová polytechnika je transformační v globálním dopadu výzkumu, ve své inovativní pedagogice a v životech studentů na Rensselaer.
Transportní proteiny tvoří aktivní rozhraní mezi buňkou a prostředím a mezi nejdůležitější z těchto proteinů patří ty, které transportují ionty – atomy nebo molekuly s čistým kladným nebo záporným elektrickým nábojem – do a ven z cele, řekl Barquera. Iontové transportní proteiny udržují příznivé koncentrace iontů uvnitř buňky a jsou také jádrem produkce energie. Transport kladně nabitých vodíkových a sodných iontů, zvaných kationty, vytváří gradienty, které poskytují energii pro různé buněčné procesy, jako je pohyblivost buněk, import živin a vytlačování chemikálií, které jsou pro buňku toxické.
V současném projektu „Kontrola transportu Na+ a H+ v bakteriální adaptaci“se vědci budou snažit porozumět tomu, jak transportní proteiny, které pohybují vodíkové a sodíkové kationty buněčnou membránou, umožňují Pseudomonas přizpůsobit svůj metabolismus různým podmínkám prostředí..
Barquera se podívá na několik transportních proteinů včetně NQR, který přesouvá sodík z vnitřku buňky do vnějšku; NUO, který přesouvá protony z vnitřku buňky do vnějšku; a sodíkové/protonové anti-portery, které vyměňují ionty pro udržení konstantního pH a iontových koncentrací uvnitř buňky.
"V laboratoři můžeme eliminovat proteiny jeden po druhém a uvidíme, co se stane s organismy. Pokud odstraníte protein spojený s výměnou soli, jak žijí? Mohou žít? Jak budou kompenzovat ?" řekl Barquera. "Abychom to mohli posoudit, můžeme změřit jejich aktivity a zjistit jejich funkci. Je to baterie experimentů, ve kterých to zkombinujete, podíváte se na výsledky a dozvíte se o organismu."
V předchozím výzkumu s Pseudomonas Barquera ukázal, jak signální molekula, kterou bakterie vylučují při vysoké populační hustotě, způsobuje poruchu dýchacího řetězce, zabíjí část populace a mezi přeživšími spouští vytvoření biofilmu odolného vůči antibiotikům. Její práce se liší od izolace proteinů ve zkumavce za účelem stanovení mechanismu proteinu až po pochopení větší role proteinu v buňce, včetně jeho interakcí s jinými proteiny a cestami.
Kromě aplikací v bakteriální ekologii jsou tyto znalosti důležité pro mnoho oblastí biotechnologie – jako je sanace odpadu, metabolické inženýrství a bakteriální produkce přírodních a umělých produktů – kde je důležitá adaptace na nové podmínky.
