Расшифрована архитектура бактериальной "электростанции"

Кислород необходим для выживания многих организмов. При преобразовании питательных веществ в энергию кислород превращается в воду с помощью фермента оксидазы — последнего звена дыхательной цепи.

В то время как у человека есть только один тип таких оксидаз, у модельного бактериального организма Escherichia coli (E. coli) имеется три альтернативных фермента. Чтобы понять, зачем E. coli и другим бактериям несколько оксидаз, профессор Беттина Бётчер из Центра Рудольфа Вирхова в сотрудничестве с профессором Торстеном Фридрихом (Университет Фрайбурга) определили молекулярную структуру цитохром bd оксидазы из E. coli. Этот тип оксидазы встречается только у бактерий и микробных архей.

У бактерий другие типы оксидаз

Ключевые железосодержащие группы, обеспечивающие работу оксидазы, — это два цитохрома типа b и один типа d. Именно на цитохроме d кислород связывается и превращается в воду. Определение структуры показало, что архитектура цитохром bd оксидазы из E. coli очень похожа на структуру другой бактерии, Geobacillus thermodenitrificans. «Однако, к нашему большому удивлению, мы обнаружили, что цитохром b и цитохром d поменялись местами, а следовательно, изменилось и место превращения кислорода внутри фермента», — сообщает профессор Торстен Фридрих.

Причиной этого изменения может быть то, что цитохром bd оксидаза, возможно, выполняет вторую функцию: помимо производства энергии, она может служить для защиты от окислительного стресса и стресса, вызванного нитроксидами. Особенно высокую активность цитохром bd оксидазы демонстрируют патогенные штаммы бактерий. Поскольку у человека этого типа оксидазы нет, эти результаты могут дать важные указания для разработки новых противомикробных препаратов, нацеленных на цитохром bd оксидазу патогенов, таких как микобактерии.

Успеху способствовал новый высокопроизводительный электронный микроскоп, который с 2018 года работает под руководством профессора Бётчер в Центре Рудольфа Вирхова. «Цитохром bd оксидаза была сложным образцом для крио-электронной микроскопии, поскольку это один из самых маленьких мембранных белков, чья структура была определена с помощью этой техники», — поясняет профессор Бётчер.

Особенностями этой методики являются экстремально низкие температуры (до минус 180 градусов Цельсия) и разрешение на атомном уровне. Она позволяет изучать в растворе биологические молекулы и комплексы, мгновенно замороженные, и воссоздавать их трёхмерную структуру. Микроскоп разгоняет электроны, которыми «сканирует» образцы, с напряжением 300 000 вольт.

Исследование было опубликовано в ноябре 2019 года в журнале Nature Communications.