Обнаружено правостороннее спиральное движение малярийных паразитов

Фото из открытых источников

Малярия – это инфекционное заболевание, вызываемое укусом комара, переносчика малярийного паразита, число жертв которого исчисляется миллионами. После проникновения в кожу возбудитель движется по спиральным траекториям. Он почти всегда поворачивает вправо, как недавно обнаружила группа физиков и исследователей малярии из Гейдельбергского университета. 

Используя методы визуализации высокого разрешения в сочетании с компьютерным моделированием, исследователи продемонстрировали, что возбудитель использует эти правозакрученные спирали для управления своим движением при переходе из одного тканевого компартмента в другой. Такая схема движения возможна благодаря ранее необъяснимой асимметрии строения тела одноклеточного организма. По словам исследователей, их выводы могут помочь улучшить тестирование новых лекарств и вакцин. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Возбудитель малярии плазмодий передается из слюнных желез комара в кожу хозяина. На этой ранней стадии одноклеточный паразит имеет форму полумесяца. Эта необычная форма клетки обуславливает характерные спиральные движения так называемых спорозоитов. Они позволяют патогену легче обвиваться вокруг кровеносных сосудов или закрепляться в окружающих тканях, как это продемонстрировали в более ранней совместной работе профессор Ульрих Шварц, и профессор Фридрих Фришкнехт. «Наши новые исследования показывают, что малярийные паразиты движутся почти исключительно по правозакрученным спиралям в трёхмерной среде», — объясняет профессор Шварц, руководитель исследовательской группы «Физика сложных биосистем» в Институте теоретической физики Гейдельбергского университета.

В экспериментах в Центре инфекционных заболеваний Гейдельбергской университетской клиники учёные исследовали биологическую функцию этого правозакрученного движения. В качестве заменителя ткани они использовали синтетические гидрогели, которые позволяют использовать методы визуализации высокого разрешения и проводить количественное сравнение с компьютерным моделированием движения клеток. В ходе эксперимента исследователи обнаружили, что паразиты на дне гидрогеля на стеклянной подложке ведут себя иначе, чем при нанесении на предметное стекло непосредственно из раствора. В первом случае паразиты вращаются на стекле по часовой стрелке, во втором — против часовой стрелки. Исходя из этого, исследователи пришли к выводу, что правостороннее движение играет ключевую роль в проникновении паразита в различные компартменты.

«Мы предполагаем, что эта хиральность развилась в ходе эволюции, чтобы позволить патогену быстро и всегда одним и тем же образом переключаться между различными тканевыми компартментами в организме хозяина», - говорит Фридрих Фришкнехт.

Различия в характере движения на обычных субстратах в растворе и в трёхмерном гидрогеле могут объяснить, почему спорозоиты так плохо инфицировали клетки печени в предыдущих лабораторных экспериментах. «Наши результаты показывают, что имеет большое значение, наносятся ли патогены непосредственно на стекло или сначала проникают через ткань», — добавляет Мирко Сингер, постдок в группе профессора Фришкнехта. Таким образом, текущие данные о движении паразитов могут помочь улучшить экспериментальные исследования и разработать новые подходы к профилактике инфекций.

Объединяя визуализацию высокого разрешения и математические модели, исследователи также смогли раскрыть лежащий в основе молекулярный механизм. Предыдущие теоретические исследования показали, как особая серповидная форма паразита определяет его движение. «Наше компьютерное моделирование подтвердило, что только асимметрия передней части паразита может быть причиной экспериментально наблюдаемых закономерностей движения», — утверждает Леон Леттерман, докторант в группе профессора Шварца. Используя микроскопию сверхвысокого разрешения, исследователи выявили отличительную особенность строения тела паразита, приводящую к неравномерному распределению силы по его длине.