Исследователи изучают архей, чтобы понять, как белки определяют форму и функцию клетки

Археи — одноклеточные микроорганизмы, первоначально обнаруженные в экстремальных условиях, таких как гидротермальные источники. Они также встречаются в пищеварительной системе животных, включая человека, где играют ключевую роль в здоровье кишечника. Однако о функции этих клеток или о том, как они формируют свои характерные формы, соответствующие среде обитания, известно мало.

Исследование под руководством Меки Полишрёдер из Школы искусств и наук Пенсильванского университета раскрыло ключевые детали молекулярного механизма, определяющего морфологию архей. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

От школьного проекта к передовым исследованиям

Открытие началось с летней работы в лаборатории школьника Джошуа, который изучил около 1000 штаммов из библиотеки случайных мутаций Haloferax volcanii на способность к движению. Он выявил несколько гиперподвижных мутантов.

Мутанты, неспособные плавать, не образовывали видимых ореолов (гало) в агаровых пластинах. Среди них были и те, кто двигался быстрее обычного. При ближайшем рассмотрении под микроскопом оказалось, что эти быстродвижущиеся мутанты формируют только палочковидные формы, никогда — дисковые.

Форма палочки критически важна для эффективного плавания, что позволяет микробам лучше ориентироваться в среде.

Многогранный подход

Идентификация мутантных штаммов, «запертых» в определённой форме клетки, позволила перейти к сравнительной количественной протеомике. Этот метод количественно определяет содержание белков в клетках при различных условиях, позволяя сравнить белковые профили мутантов и дикого типа на разных фазах роста.

Для подтверждения важности белков, ассоциированных с формой клетки, использовали подход обратной генетики, изучая эффекты модификации или делеции гена. Так исследовали роль специфических белков, таких как disk-determining factor A и rod-determining factor A.

Для визуализации поведения этих белков внутри клетки потребовалась продвинутая микроскопия. В сотрудничестве с лабораторией Александра Биссона из Университета Брандейса использовали микроскопию сверхвысокого разрешения и вычислительный анализ.

Были созданы 3D-изображения полимеров волактина (volactin) — гомолога актина, который исследователи идентифицировали как ключевой для перехода к дисковым клеткам. Используя волактин, слитый с флуоресцентным белком GFP, учёные в реальном времени наблюдали динамику полимеризации и деполимеризации полимеров волактина. Это говорит о том, что полимеры волактина могут динамически «ощущать» состояние клетки, чтобы координировать её форму.

В отличие от своей функции во многих эукариотических клетках, где актин часто связан с поддержанием формы клетки и облегчением движения, в модельной архее Haloferax volcanii этот гомолог актина имеет решающее значение для перехода к дисковым клеткам.

Взгляд в будущее

Следующий шаг — выяснить, как археи «понимают», когда переключаться с палочковидной формы на дисковую. В настоящее время ведутся работы с исследователями из химического факультета по выявлению сигнальных молекул, инициирующих смену формы клетки.