Первое в мире моделирование атомных структур трех бактериальных наномашин
Исследователи из Калифорнийского наносистемного института (CNSI) в UCLA впервые получили изображения атомных структур трех специфических биологических наномашин, каждая из которых получена от разных потенциально смертельных бактерий. Это достижение может привести к созданию антибиотиков, нацеленных на конкретные патогены.
Для визуализации формы и функций этих структур ученые использовали передовую технологию криогенной электронной микроскопии (cryoEM). Результаты опубликованы в трех ведущих журналах: Nature, Cell и Nature Structural and Molecular Biology.
Две из наномашин — это контрактильные системы инъекции (contractile ejection systems). Бактерии используют их для:
- Переноса токсичных молекул в здоровые клетки, чтобы захватить их.
- Атаки бактерий-конкурентов путем доставки в них токсинов. Эти структуры имеют чехол-трубку, которая создает отверстия в наружных мембранах клеток-мишеней для введения токсинов.
Третья наномашина — пора, доставляющая смертельный токсин сибирской язвы в клетки млекопитающих, когда бактерия попадает в кровоток. Именно этот механизм активирует болезнь у зараженного организма.
Работа этих наномашин была плохо изучена. Исследователи UCLA использовали cryoEM, оснащенный специальной камерой (прямым электронным детектором), чтобы получить детальные изображения. Новая информация о их функционировании может помочь в создании целевых антибиотиков.
Пора токсина сибирской язвы
В статье в Nature команда впервые определила атомную структуру поры токсина сибирской язвы — основной болезнетворной молекулы Bacillus anthracis. Структура имеет грибовидную форму с "воротами" внутри "стебля".
Это подтверждает механизм поражения клеток. Здоровые клетки поглощают пору, принимая ее за питательное вещество. Попав внутрь, пора чувствует смену среды на более кислую, открывает "ворота" и выпускает токсин в клетку.
"Это важный шаг к пониманию механизма, необходимый для любых мер против сибирской язвы", — сказал профессор Хонг Чжоу.
Система секреции VI типа (T6SS) при туляремии
В статье в Cell ученые представили первую атомарную модель системы секреции VI типа (T6SS) — наномашины, встречающейся примерно у 25% грамотрицательных бактерий. Исследовали Francisella tularensis, вызывающую туляремию и являющуюся потенциальным агентом биологического терроризма.
Структура T6SS напоминает поршень. Когда бактерию поглощает макрофаг, T6SS собирается внутри бактерии и пронзает трубкой стенку бактерии и мембрану фагосомы в цитоплазму макрофага. Это позволяет бактерии вырваться в цитоплазму, размножиться и разрушить макрофаг.
"Мы уже определяем лекарственные молекулы, нацеленные на T6SS F. tularensis", — сказал профессор Маркус Хорвиц. Цель — найти новые антибиотики против этого агента и других грамотрицательных бактерий с T6SS, таких как Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei и патогенная Escherichia coli.
Pseudomonas aeruginosa
В статье в Nature Structural and Molecular Biology команда описала атомные структуры R-типа пиоцинов — контрактильных систем инъекции у Pseudomonas aeruginosa.
R-тип пиоцинов используется бактерией для быстрого введения нанотрубок, как таранов, в мембраны бактерий-конкурентов, чтобы убить их и получить доступ к питательным веществам. Способность создавать канал в оболочке бактерии-мишени делает пиоцины объектом исследований для антимикробного применения и биоинженерии.
"R2 пиоцин — это необычная молекулярная машина, использующая энергию собственной биологической батареи", — сказал профессор Джефф Миллер. — "Он идеален для создания целевых антибиотиков, которые убивают вредные бактерии, не нарушая защитную микрофлору кишечника пациента".
Благодаря редкому оборудованию (микроскопу Titan Krios) и экспертизе, CNSI является одним из немногих в мире центров, способных визуализировать подобные атомные структуры.