Атомные методы раскрывают эволюцию бактериального белка

Исследователи показали, как бактерии адаптировали механизм сенсоринга, позволяющий им жить в разных средах.

Комбинация нескольких методов атомного уровня позволила исследователям показать, как изменения в белке, чувствительном к окружающей среде, позволяют бактериям выживать в разных средах — от кишечника человека до глубоководных гидротермальных источников.

«Исследование даёт нам беспрецедентное понимание на атомном уровне того, как бактерии адаптируются к меняющимся условиям», — говорит Стефан Арольд, профессор бионаук в KAUST. — «Чтобы получить эти данные, мы расширили пределы возможностей трёх различных методов исследования и объединили их результаты в единую картину».

Белок, структурирующий нуклеоид по типу гистонов (H-NS), позволяет бактериям ощущать изменения в окружающей среде, такие как колебания температуры и солёности. Ранее команда показала, как кишечный патоген Salmonella typhimurium использует H-NS для контроля профиля экспрессии генов, что позволяет ему оптимально жить внутри теплокровного хозяина или снаружи в почве.

Белок H-NS также обнаруживается у бактерий, не испытывающих резких перепадов температур, таких как фитопатогены, симбионты насекомых и свободноживущие микробы, населяющие глубоководные гидротермальные источники. Однако оставалось загадкой, как разные бактерии адаптировали один и тот же сенсорный механизм под разнообразные условия жизни.

Ни один отдельный метод анализа не смог раскрыть внутреннюю работу этого механизма. Поэтому для получения более целостной картины Арольд собрал междисциплинарную команду из KAUST и международных коллег. Арольд и Лукаш Яремко, молекулярный биохимик из KAUST, совместно с Цзянин Ли из Университета Вермонта объединили несколько методов: спектроскопию ЯМР без протонов, всеатомное моделирование молекулярной динамики и методы биофизики. Такой синергетический подход позволил исследователям проанализировать реакцию различных белков H-NS на температуру и солёность на атомном уровне.

Все белки H-NS демонстрировали один и тот же древний механизм сенсоринга, при котором температура и солёность способствовали «плавлению» одного из двух доменов димеризации H-NS, ослабляя его связь с ДНК.

Однако сайт-специфичные аминокислотные замены, в основном в остатках, участвующих в солевых мостиках, создавали ряд статических и динамических особенностей. Эти эффекты ослабляют или усиливают реакцию белка, чтобы соответствовать образу жизни бактерии.

«Хотя последовательности этих белков в значительной степени консервативны, небольшие целенаправленные изменения приводят к большим различиям в их поведении», — говорит научный сотрудник KAUST Умар Фарук Шахуль Хамед.

Так, белок H-NS возбудителя болезни яблони Erwinia amylovora потерял чувствительность к теплу, что согласуется с образом жизни патогена в стабильном умеренном климате. И всего несколько аминокислотных замен сделали H-NS у Buchnera aphidicola почти нечувствительным к среде, что соответствует его роли облигатного эндосимбионта тлей.

«Если воздействовать на правильные позиции, поведение меняется очень легко», — говорит Арольд. — «Подходы, вмешивающиеся в этот сенсорный механизм, могут найти применение в областях от смягчения последствий изменения климата до борьбы с антибиотикорезистентностью».