3D-изображение бактериальной машины, впрыскивающей токсины в клетки и распространяющей устойчивость к антибиотикам
Учёные предсказывают, что к 2050 году бактерии, устойчивые к антибиотикам, будут уносить столько же жизней, сколько и рак. Впервые исследователям из Caltech удалось создать трёхмерное изображение молекулярной структуры, которую многие бактерии используют для впрыскивания токсинов в клетки человека и распространения генов устойчивости к антибиотикам. Понимание архитектуры этой структуры — первый шаг к борьбе с её воздействием.
Исследование проводилось в лаборатории профессора биофизики и биологии Гранта Йенсена. Работа впервые была опубликована онлайн 23 марта в журнале EMBO Reports.
Учёные изучали бактерию Legionella, вызывающую болезнь легионеров — тяжёлую и часто смертельную форму пневмонии. Когда Legionella проникает в клетку человека, она окружает себя защитным везикулом и активирует молекулярную структуру, известную как система секреции IV типа. Эта молекулярная «машина» находится в клеточной мембране бактерии и выстреливает десятки тысяч токсичных молекул (сотен различных типов) в клетку-хозяина, перехватывая клеточные пути и подавляя её защиту.
Считается, что некоторые системы секреции IV типа играют ключевую роль в распространении генов устойчивости к антибиотикам среди бактериальной популяции.
«Понимание структуры системы IV типа критически важно для разработки новых антибиотиков, способных её отключить», — говорит первый автор работы, постдок Дебнат Гхошал. — «Хотя это исследование сосредоточено только на системе секреции Legionella, очень похожую машину используют многие другие бактерии — например, возбудители рака желудка, ку-лихорадки и коклюша».
Для визуализации структуры диаметром около 40 нанометров (что примерно в 1000 раз меньше, чем может увидеть человеческий глаз) исследователи применили метод электронной криотомографии. Бактерии замораживали живыми, а затем вращали под мощным электронным микроскопом, чтобы получить серию 2D-изображений, которые затем цифровыми методами реконструировали в 3D-картину. Это стало первым в истории изображением машины IV типа внутри бактерии.
Визуализация показала, что структура имеет форму концентрических арок, напоминающую символ Wi-Fi. Понимание структуры в конечном итоге должно помочь в разработке лекарств, способных блокировать эту машину. Как отмечает Гхошал, создание препарата, который отключит даже один ключевой белковый компонент системы секреции, позволит клеткам человека дать отпор бактериальной инфекции.
«Большинство современных антибиотиков направлены на разрушение клеточной оболочки бактерии, предотвращая её размножение», — говорит Йенсен. — «Разработка новых антибиотиков, нацеленных на другие аспекты бактериальной клетки, такие как система секреции IV типа, позволит нам блокировать инфекции дополнительными способами».
Статья называется «In situ structure of the Legionella Dot/Icm type IV secretion system by electron cryotomography». Соавторами, помимо Гхошала и Йенсена, являются научный сотрудник Caltech И Вей Чанг, Кван Чол Чжон из Медицинской школы Вашингтонского университета и Университета Флориды и Джозеф Фогель из Медицинской школы Вашингтонского университета. Финансирование было предоставлено Национальными институтами здравоохранения (NIH) и Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID).