Детали бактериальной «инъекционной» системы раскрыты

Новые детали состава и структуры иглоподобного белкового комплекса на поверхности некоторых бактерий могут помочь ученым разработать новые стратегии для предотвращения инфекции. Исследование, частично проведенное в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, будет опубликовано 26 апреля 2009 года в онлайн-версии журнала Nature Structural & Molecular Biology.

Ученые изучали иглоподобный белковый комплекс, известный как «система секреции III типа» (T3SS), на поверхности бактерий Shigella, вызывающих дизентерию. Эта система представляет собой сложную белковую структуру, которая пересекает бактериальную клеточную мембрану и действует как биологический шприц, впрыскивая смертоносные белки в клетки кишечника. Эти белки разрушают внутренности клетки, что приводит к кровавой диарее и иногда к смерти. Подобные системы секреции существуют у ряда других инфекционных бактерий, включая возбудителей брюшного тифа, некоторых видов пищевых отравлений и чумы.

«Понимание 3D-структуры этих секреторных белков важно для разработки новых стратегий широкого спектра для борьбы с бактериальными инфекциями», — сказал соавтор исследования Джозеф Уолл, биофизик из Брукхейвенской лаборатории.

Предыдущие исследования системы секреции III типа показали, что она состоит из примерно 25 различных видов белков, собранных в три основные части: «луковицу», лежащую внутри бактериальной клетки, область, охватывающую внутреннюю и внешнюю бактериальные мембраны, и полую, в основном внеклеточную «иглу». Но для понимания того, как части работают вместе для секреции белков, ученым потребовалась структурная информация с более высоким разрешением, а также знание химического состава и расположения компонентов.

Используя комбинацию сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM), ученые теперь раскрыли новые детали структуры «игольчатого комплекса».

«STEM и другие техники работают взаимодополняющим образом», — сказал Уолл, который спроектировал и управляет установкой STEM в Брукхейвенской лаборатории. Сама по себе STEM не может раскрыть структуру, но дает очень точные размеры молекул, составляющих определенные части, что помогает ученым уточнить структуру, намеченную другими методами. STEM также позволяет отбирать для анализа только хорошие, неповрежденные молекулы, что позволяет избежать ошибок, присущих массовым измерениям смесей целых и сломанных комплексов — проблема, которая могла повлиять на предыдущие анализы.

«Наша реконструкция показывает общий размер, форму и расположение основных субкомпонентов, согласующиеся с предыдущими исследованиями, — сказал Уолл. — Однако новая структура также раскрывает детали отдельных субъединиц и их угловой ориентации, которая меняет направление по длине структуры. Теперь мы видим 12-кратные симметричные особенности и детали соединений между субдоменами как внутри, так и снаружи по всему основанию "иглы"».

Таким образом, более точная модель показывает, как различные части инъекционной машины соединяются друг с другом и могут соединяться с другими бактериальными компонентами, которые обеспечивают двигатель для впрыскивания. Это важные шаги на пути к детальному пониманию того, как работает инъекционная машина, и к разработке ингибиторов, способных предотвращать бактериальные инфекции.

Хотя STEM был построен более 25 лет назад, он остается современным инструментом для точного определения стехиометрии и гомогенности биологических комплексов. Это один из уникальных инструментов, которые Брукхейвенская лаборатория предоставляет научному сообществу.

В случае этого исследования, как сказал ведущий автор Ариэль Блокер из Оксфордского университета и Бристольского университета (Великобритания), «эксперимент STEM был ключевым, потому что он предоставил уникальную и независимую информацию, которая позволила сузить потенциальные симметрии внутри структуры до небольшого набора проверяемых возможностей».