Ученые раскрыли молекулярную структуру бактериальных газовых везикул

В новой публикации в журнале Cell ученые из отделов Бионанонауки и Физики визуализации впервые описали молекулярную структуру газовых везикул. Эти структуры, похожие по функции на балластные цистерны подводных лодок или плавательные пузыри рыб, используются многими водными бактериями для регулирования плавучести. Газовые везикулы также недавно стали использовать в качестве контрастных агентов для ультразвуковой визуализации.

Газовые везикулы (GVs) — это полые цилиндрические наноструктуры из тонкой белковой оболочки, заполненные газом. «Например, некоторые цианобактерии используют газовые везикулы, чтобы всплывать к поверхности для улавливания света для фотосинтеза», — говорит Арен Якоби, доцент кафедры Бионанонауки.

Оставаться на плаву

К таким структурам предъявляются особые требования: чтобы бактерии оставались на плаву, GVs должны занимать значительную часть клетки, образуя компартменты размером в сотни нанометров. Для максимальной плавучести оболочка должна быть построена из минимального количества материала, одновременно обеспечивая сопротивление давлению окружающей воды. GVs эволюционировали как жесткие тонкостенные структуры, состоящие из одного белка, который повторяется тысячи раз, образуя оболочку.

«Несмотря на интенсивные усилия, молекулярная структура GVs оставалась неясной, — говорит Стефан Хубер, кандидат наук в лаборатории Якоби. — Но недавнее развитие высокоразвитого оборудования для электронной микроскопии и алгоритмов обработки изображений позволило нам решить эту структуру с почти атомарной детализацией. Теперь мы можем представить криоэлектронно-микроскопическую (cryo-EM) структуру оболочки GV».

Консервные банки

Белок газовой везикулы GvpA имеет гофрированную структуру стенки, типичную для тонкостенных цилиндров, несущих нагрузку, подобно ребристому металлическому листу консервных банок. Малые поры позволяют молекулам газа проходить через оболочку, в то время как химические свойства внутренней поверхности везикулы эффективно отталкивают воду. Это позволяет GVs избирательно заполняться газом. Сравнение широкого спектра различных видов бактерий показало, что базовая конструкция газовых везикул оставалась неизменной на протяжении всей эволюции.

Ультразвук

Исследование также облегчит молекулярную инженерию газовых везикул для ультразвуковой визуализации. «В этом исследовании мы сотрудничали с лабораторией Дэвида Марески, который обратился к нам для визуализации газовых везикул, произведенных в его лаборатории», — говорит Якоби.

В лаборатории Марески кандидат наук Дион Тервил стремится использовать газовые везикулы в качестве контрастных агентов для ультразвука, изменяя их генетический код. Высокий контраст плотности между заполненными газом GVs и окружающими клеточными структурами делает их яркими на ультразвуковых изображениях, а их особые свойства потенциально улучшают текущие контрастные агенты. «Полученные нами данные позволяют мне более точно перепроектировать эти акустические биомолекулы», — говорит Тервил.

«С 2014 года наблюдается возобновление интереса к газовым везикулам, поскольку они могут служить "зеленым флуоресцентным белком" для ультразвука. Знание структуры газовой везикулы поможет нам создавать акустические биосенсоры, чтобы "шпионить" за биологическими процессами глубоко в тканях», — добавляет Мареска.