Bakterilerde, antibiyotiklere karşı birden fazla direnç mekanizması geliştirilmiştir. Bakteriler tarafından doğal yollarla kazanılan bu direnç, halk sağlığı açısından ciddi risklere yol açmaktadır. Persister hücreler ise direnç genleri taşımamalarına rağmen metabolik aktivitelerini azaltarak antibiyotik tedavisine geçici tolerans gösterebilen hücrelerdir. Bakterilerde antibiyotik persistansını artıran bir mekanizma olarak, popülasyon yararına iş birliği sağlayan, protein yüklü membran veziküllerinin oluşturulduğu gözlemlenmiştir. Antibiyotik maruziyeti, bakteri popülasyonu tarafından üretilen belirli sinyal molekülleri ve düşük demir düzeyi gibi etkenlerin membran vezikülü üretimini teşvik ettiği bilinmekle birlikte, bu veziküllerin biyogenezi tam olarak açıklanamamıştır. Dikkat çekici bir şekilde, bakterilerin membran veziküller aracılığıyla antibiyotiğe karşı alıcı ve verici (donör) hücreler olarak iki alt popülasyona ayrıldığı gösterilmiştir. Bu süreçte gerçekleşen hücreler arası protein aktarımında, hangi proteinlerin hayatta kalıma nasıl katkı sağladığı henüz tam olarak bilinmemektedir. Bu sorunu ele almak isteyen Oms ve Van Melderen, Wen ve arkadaşlarının çalışmasını değerlendirerek E. coli popülasyonunda GalK-Cre-loxP sistemi kullanılarak membran vezikülleri aracılığıyla gerçekleştirilen protein aktarımını incelemiştir.
Persister hücrelerin antibiyotik karşısında yalnızca metabolik olarak durgunlaşan pasif hücreler mi olduğu, yoksa aralarında aktif bir iş birliği bulunup bulunmadığı bilinmemekteydi. Bu çalışmada, genetik olarak özdeş bakteri hücrelerinin antibiyotik stresi altında farklı fizyolojik durumlara ayrışıp ayrışmadığı ve bu ayrışmanın membran vezikülleri aracılığıyla hücreler arası protein aktarımıyla ilişkili olup olmadığı araştırılmıştır.
Oms ve Van Melderen, hücreler arası protein aktarımını ortaya koymak amacıyla klasik bir genetik sistem aracı olan GalK-Cre-loxP sisteminden yararlanmışlardır. Verici hücreler, galK genine sahip olmadıklarından galaktokinaz enzimini üretememekte ve bu nedenle galaktozu metabolize edememektedir. Buna karşın, genomlarında bulunan bir gen aracılığıyla loxP bölgelerini tanıyan ve bu bölgeler arasındaki DNA parçasını rekombinasyona uğratan Cre enzimi eksprese edilmektedir. Alıcı hücrelerin genomunda ise bir galK geni bulunmakla birlikte, bu gen loxP bölgeleriyle çevrili kısmen ters dönmüş bir bölge içerdiğinden işlevsiz durumdadır. Verici hücrelerden alıcı hücrelere Cre enziminin aktarılmasıyla, enzimin rekombinaz aktivitesi sayesinde ters dönmüş bölge yeniden doğru yönde konumlandırılmakta ve işlevsel bir galK geni oluşturulmaktadır. Bunun sonucunda alıcı hücrelerin galaktozu sindirebilir hâle gelmesi, verici ve alıcı hücreler arasında protein aktarımının gerçekleştiğine dair kanıt olarak değerlendirilmiştir. Uzun yıllar boyunca membran veziküllerinin, hücre zarfının hasar görmesi sonucunda oluşan parçacıklar olduğu düşünülmekteydi. Ancak membran vezikülü üretiminin antibiyotik maruziyeti, belirli sinyal molekülleri veya düşük demir düzeyi gibi çeşitli çevresel faktörlerle de tetiklenebildiği bilinmektedir. Bu görüşü sınamak amacıyla araştırmacılar, bakteri popülasyonunu düşük dozda bir florokinolon antibiyotiği olan siprofloksasine maruz bırakmışlardır. Siprofloksasin, DNA girazını hedef alarak hücreyi strese sokan bir antibiyotiktir. Siprofloksasine maruz kalan hücrelerde PspA proteininin membran veziküllerinde zenginleştiği ve bu proteinin vezikül üretimi için gerekli olduğu gösterilmiştir. Bu bulgu, membran vezikülü üretiminin yalnızca hücre zarfı hasarının pasif bir sonucu olmadığını, antibiyotik stresine yanıt olarak düzenlenen aktif bir süreç olduğunu düşündürmektedir. Ayrıca PspA proteininin, ökaryotlarda membran eğriliği oluşturma, daraltma ve bölme (fisyon) gibi işlevleri bulunan ESCRT-III protein ailesiyle akraba olduğu ve in vitro koşullarda benzer şekilde membranı yeniden şekillendirebildiği bilinmektedir.
Araştırmacılar, protein aktarımının gerçekleşip gerçekleşmediğini ortaya koymanın yanı sıra, membran veziküllerini alan alıcı hücreleri fiziksel olarak ayrıştırmak amacıyla Cre-loxP sistemini floresan işaretleyiciler ekleyerek geliştirmişlerdir. Bu sistem kullanılarak elde edilen saf alıcı hücreler üzerinde transkriptom analizleri gerçekleştirilmiş ve relA ile spoT genlerinin yüksek düzeyde eksprese edildiği belirlenmiştir. Bu bulgular, alıcı hücrelerin durgun (dormant) fizyolojik duruma geçtiğini göstermiştir. Ayrıca, antitoksin HipB’nin negatif geri besleme mekanizmasıyla HipA ekspresyonunu ve aktivitesini baskıladığı, bu toksin-antitoksin modülünün ise hücrelerin verici ve alıcı olarak alt popülasyonlara ayrılmasında moleküler bir faktör rolü oynadığı ifade edilmiştir. Bu bulgular, persister hücrelerin yalnızca pasif biçimde metabolizmalarını baskılayan hücreler olmadığını; antibiyotik stresi altında, popülasyondaki diğer hücrelerden membran vezikülleri aracılığıyla protein alarak hayatta kalma avantajı elde edebildiğini göstermektedir.Bunun yanı sıra çalışma, membran vezikülleri aracılığıyla gerçekleşen hücreler arası protein aktarımının moleküler mekanizmalarının daha ayrıntılı araştırılması için önemli bir temel oluşturmaktadır. Geliştirilen deneysel yaklaşımın ise gelecekte farklı antibiyotiklerin etkilerinin incelenmesi, bakteriyel iletişim mekanizmalarının aydınlatılması ve membran veziküllerinin diğer biyolojik süreçlerdeki rollerinin araştırılması gibi çalışmalara katkı sağlaması öngörülmektedir.
Yazar: Sudenaz Şimşek
Editör: Asmin Petekbaşı
Referans: Oms, T., & Van Melderen, L. (2026). Bacteria share proteins to survive antibiotics. Science, 392(6805), 1345–1346. https://doi.org/10.1126/science.aei4132
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
