Увеличение бактериального оружия в 3D
Чума, бактериальная дизентерия и холера имеют общую черту: эти опасные заболевания вызываются бактериями, которые заражают своего хозяина с помощью сложного инъекционного аппарата. Через иглоподобные структуры они вводят молекулярные агенты в клетку хозяина, обходя иммунный ответ. Исследователи из Института биофизической химии Макса Планка в Гёттингене совместно с коллегами из Института биологии инфекций Макса Планка в Берлине и Университета Вашингтона в Сиэтле (США) впервые расшифровали структуру такой иглы с атомным разрешением. Их открытие может способствовать разработке лекарств и стратегий, которые специфически предотвращают процесс заражения.
Сотни крошечных полых игл, торчащих из бактериальной мембраны — это коварный инструмент, делающий патогены, вызывающие чуму или холеру, такими опасными. Вместе с основанием, встроенным в мембрану, эти миниатюрные шприцы составляют так называемую систему секреции III типа — инъекционный аппарат, через который патогены вводят молекулярные агенты в клетку хозяина. Там эти вещества нарушают важнейшие метаболические процессы и отключают иммунную защиту зараженных клеток. Последствия фатальны, так как патогены могут беспрепятственно распространяться в организме. Для борьбы с инфекцией до сих пор назначают традиционные антибиотики. Однако, поскольку некоторые штаммы бактерий вырабатывают устойчивость, исследователи во всем мире ищут более специфичные лекарства.
Точная структура игл длиной 60–80 нанометров (60–80 миллионных долей миллиметра) и шириной около 8 нанометров до сих пор была неизвестна. Классические методы, такие как рентгеновская кристаллография или электронная микроскопия, не давали результатов или давали неверные модели. Некристаллизуемые и нерастворимые, иглы сопротивлялись всем попыткам расшифровать их атомную структуру. Поэтому Адам Ланге и Стефан Беккер из Института биофизической химии Макса Планка вместе с командой физиков, биологов и химистов выбрали совершенно новый подход. В сотрудничестве с Дэвидом Бейкером из Университета Вашингтона и Михаэлем Кольбе из Института биологии инфекций Макса Планка ученым удалось совместить производство иглы в лаборатории с ЯМР-спектроскопией в твердом теле, электронной микроскопией и компьютерным моделированием. Исследователи расшифровали структуру иглы атом за атомом и впервые визуализировали ее молекулярную архитектуру в ангстремном диапазоне, с разрешением менее одной десятой миллионной доли миллиметра.
Это потребовало прогресса в нескольких областях. «Мы добились больших успехов как в производстве образцов, так и в ЯМР-спектроскопии твердого тела», — говорит Адам Ланге. «Наконец, мы также смогли использовать один из самых мощных на сегодняшний день спектрометров ЯМР твердого тела в отделе ЯМР-структурной биологии Кристиана Гризингера в нашем институте». Магнитное поле этого 850-мегагерцевого спектрометра составляет 20 тесла, что примерно в 400 000 раз сильнее магнитного поля Земли.
«Мы были удивлены, увидев, как устроены иглы», — говорит Ланге. Как и ожидалось, иглы патогенов, вызывающих такие разные заболевания, как пищевое отравление, бактериальная дизентерия или чума, демонстрируют поразительное сходство. Однако, в отличие от преобладавших предположений, сходство обнаруживается во внутренней части игл, тогда как поверхность удивительно изменчива. По мнению ученого, эта изменчивость может быть стратегией бактерий, позволяющей избежать распознавания иммунной системой хозяина. Изменения на поверхности иглы затрудняют для иммунной системы хозяина распознавание патогена.
Ученые Ланге, Кольбе, Беккер и их коллеги из Макса Планка Кристиан Гризингер и Артуро Зихлински уже несколько лет сосредоточены на изучении бактериального инъекционного аппарата. Совместно с Федеральным институтом исследований и испытаний материалов они уже показали в 2010 году, как бактерии собирают свои миниатюрные шприцы. Открытие их структуры в атомных деталях не только позволяет исследователям получить новое представление о том, как эти патогены обманывают клетки хозяина, но и дает перспективу блокировать сборку шприца и доставку бактериальных факторов с помощью специально подобранных молекул. Такие вещества, называемые антиинфективными агентами, могли бы действовать более специфично и гораздо раньше в ходе инфекции, чем традиционные антибиотики. «Благодаря нашей новой технике мы можем производить большое количество игл в лаборатории. Наша цель теперь — разработать высокопроизводительный метод. Это позволит нам искать новые агенты, которые предотвращают образование иглы», — объясняет Стефан Беккер.