Нанотехнологии раскрывают скрытые глубины бактериальных «машин»

Новое исследование Ливерпульского университета, опубликованное в журнале Nanoscale, позволило изучить структуру и материальные свойства белковых машин в бактериях, способных преобразовывать углекислый газ в сахар посредством фотосинтеза.

Цианобактерии — это тип бактерий, которые, подобно зелёным растениям, производят кислород и энергию в процессе фотосинтеза. Они являются одними из самых распространённых организмов в океанах и пресной воде. Уникальные внутренние «машины» цианобактерий, называемые карбоксисомами, позволяют организмам преобразовывать CO₂ в сахар и оказывают влияние на глобальное производство биомассы и окружающую среду.

Карбоксисомы — это наноразмерные полиэдрические структуры, состоящие из нескольких типов белков и ферментов. До сих пор мало известно о том, как эти «машины» построены и поддерживают свою организацию для осуществления фиксации углерода.

Исследователи из Института интегративной биологии университета под руководством научного сотрудника Королевского общества доктора Лунинга Лю детально изучили нативную структуру и механическую жёсткость карбоксисом с помощью современных микроскопов и биохимических подходов.

Впервые исследователям удалось биохимически очистить активные карбоксисомы из цианобактерий и охарактеризовать их активность по фиксации углерода и белковый состав. Затем они использовали электронную микроскопию и атомно-силовую микроскопию для визуализации морфологии и внутренней белковой организации этих бактериальных машин.

Кроме того, впервые были определены внутренние механические свойства трёхмерных структур. Хотя структурно карбоксисомы напоминают полиэдрические вирусы, выяснилось, что они гораздо мягче и структурно гибче, что коррелирует с динамикой их образования и регуляцией в бактериях.

Доктор Лю сказал: «Это захватывающе, что мы можем впервые «вступить в контакт» с этими наноструктурами и понять, как они самоорганизуются и формируются, используя передовые технологии, доступные в Университете. Наши результаты дают новые ключи к пониманию взаимосвязи между структурой и функциональностью нативных карбоксисом».

Особенности самоорганизации и модульности карбоксисом делают их интересными системами для наноучёных, синтетических биологов и биоинженеров, которые надеются найти способы проектирования новых наноматериалов и нанобиореакторов.

«Мы только начинаем понимать, как эти бактериальные машины построены и работают в природе. Наша долгосрочная цель — использовать эти знания, чтобы сделать дальнейшие шаги к лучшему проектированию и инженерии био-вдохновлённых машин», — добавил доктор Лю. — «Эти знания и методы могут быть распространены на другие биологические машины».