Молекулярная линейка определяет длину бактериальной иглы
Бактерии сальмонеллы используют наноскопическую иглу для инъекции белков в клетку-мишень, чтобы облегчить инфекцию. Если игла слишком короткая, клетка не заразится. Если слишком длинная — игла сломается. Биологи из Университета Юты выяснили, как одноразовая молекулярная линейка (или рулетка) определяет длину бактериальной иглы, делая её идеальной.
Исследование профессора биологии Келли Хьюза и докторанта Дэниела Ви опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Если вы посмотрите на важные патогены — бактерию бубонной чумы, сальмонеллу, шигеллу и фитопатогены, такие как бактериальный ожог, — все они используют иглы, похожие на гиподермические, для инъекции белков, способствующих развитию болезни», — говорит Хьюз.
Учёные обнаружили, что по мере роста бактериальной иглы (инъектосома) молекулярная линейка (скорее, липкая рулетка) секретируется из основания иглы. Она просачивается вверх по трубке иглы, и когда нижний конец линейки достигает нижнего конца иглы, рост иглы останавливается, и она начинает инъецировать белки в клетку-мишень.
«Наша работа показывает, что существует один механизм — молекулярная линейка, — который объясняет, как контролируется длина игл у грамотрицательных бактерий и крючков на жгутиках [шарнирах в пропеллерах, которые бактерии используют для движения] у всех бактерий», — добавляет Хьюз.
Значение открытия
Понимание того, как бактерии определяют длину своих игл, может иметь долгосрочные применения:
- Разработка новых антибиотиков против сальмонеллы и других патогенных бактерий.
- Конструирование бактерий, способных инъецировать химиотерапевтические препараты прямо в раковые клетки.
- Помощь в проектировании машин на наноскопическом или молекулярном уровне.
«То, что мы понимаем о бактериях, может помочь нам создавать наномашины и наноботов», — отмечает Хьюз, подчёркивая, что бактериальные жгутики — «самые сложные наномашины во Вселенной».
Подход, нацеленный на механизм сборки инъектосом, может работать против таких бактерий, как:
- Сальмонелла (брюшной тиф, пищевое отравление)
- Шигелла (дизентерия)
- Yersinia pestis (бубонная чума)
- Патогенные E. coli
- Chlamydia trachomatis (ИППП)
- Многие фитопатогены
- Pseudomonas aeruginosa (инфекции у ожоговых больных и пациентов с муковисцидозом)
Как работает молекулярная линейка
Бактериальные инъектосомы невероятно малы — от 20 до 100 нанометров в длину. 100 нанометров — это одна тысячная толщины человеческого волоса.
Сборка иглы начинается с основания («белкового пончика»). Затем белки начинают собираться, формируя иглу. Исследование показало, что у сальмонеллы линейка медленно секретируется через канал растущей иглы.
«Как только аминокислоты на нижнем конце линейки проходят через основание иглы, они сообщают бактерии, что игла достаточно длинная, и рост нужно остановить. Они также дают команду игле инъецировать вирулентные белки в клетку-мишень, после чего молекулярная линейка выбрасывается», — объясняет Дэниел Ви.
Методология исследования
Исследование проводилось на штамме Typhimurium Salmonella enterica. Учёные доказали, что молекулярная линейка определяет длину иглы, вставив аминокислоты из генов молекулярной линейки бактерии чумы в гены линейки сальмонеллы, создав линейки семи различных длин.
Генетически модифицированные сальмонеллы с семью длинами линеек выращивали в колбе, их иглы выделяли, а длину измеряли с помощью электронного микроскопа.
Ви обнаружил, что длина линейки точно коррелировала с длиной получившихся игл: каждая добавленная аминокислота в гене линейки делала иглу длиннее на 0.2 нанометра.
Исследование также опровергло другие теории определения длины иглы у сальмонеллы:
- Теория «мерного стакана»: утверждала, что чашеобразная структура в основании отправляет порцию компонентов для сборки. Опыт с генетическим удалением этой «чашки» показал, что иглы всё равно вырастали до правильной длины.
- Теория «внутреннего стержня»: предполагала, что сборка стержневидной структуры внутри основания определяет остановку роста иглы. Исследование из Юты показало, что компоненты стержня и иглы не производятся одновременно, а конкурируют друг с другом, создавая иллюзию такого контроля.