Обнаружены новые молекулярные "арбалеты" у бактерий

Биологи из ETH Zurich открыли и впервые описали структуру копьевидных молекулярных инъекционных систем у двух типов бактерий. Эти наномашины используются микробами для межклеточного взаимодействия и в будущем могут стать инструментом в биомедицине.

Исследователи из группы профессора Мартина Пилхофера описали две новые системы в журнале Nature Microbiology: одну у цианобактерий (сине-зелёных водорослей), другую — у морской бактерии Algoriphagus machipongonensis.

Новые контрактильные инъекционные системы (CIS) работают принципиально иначе, чем ранее описанные устройства, и имеют уникальные особенности, проливая свет на эволюционные различия между классами инъекционных систем.

CIS функционируют как молекулярные шприцы: при сокращении внешнего чехла наномашины наружу выстреливает скрытая внутренняя трубка, заполненная белками, которые впрыскиваются либо в окружающую среду, либо непосредственно в клетку-мишень.

Неожиданное расположение в клетке

У цианобактерий новая CIS была обнаружена не в клеточной мембране или цитоплазме, а прикреплённой к тилакоидной мембране, где происходит фотосинтез. Этот CIS, названный tCIS, обращён внутрь клетки.

«Это был самый большой сюрприз для нас», — говорит ведущий автор исследования Грегор Вайс. При стрессе (например, от высокой концентрации соли или УФ-излучения) внешние слои клетки цианобактерий отслаиваются, обнажая tCIS, который готов выстрелить при контакте с потенциальными клетками-мишенями. Широкое распространение этих "молекулярных арбалетов" указывает на их важную роль в жизненном цикле цианобактерий, возможно, в запрограммированной гибели клеток.

Внеклеточная инъекционная система

Другая система, обнаруженная у Algoriphagus machipongonensis, не закреплена в клетке, а высвобождается в окружающую среду для воздействия на клетки-мишени в области (eCIS).

Используя крио-электронную микроскопию, исследователи определили структуру этого eCIS с высоким разрешением, что не удавалось ранее. «Вновь обнаруженные наномашины дают нам понять, что контрактильные инъекционные системы распространены шире, чем считалось», — отмечает Чарльз Эриксон.

От молекул до целых бактерий

Исследование уникально своим междисциплинарным подходом: от сбора бактерий в естественных экосистемах до атомных моделей их CIS. Работа показывает необходимость перехода от лабораторных штаммов к природным образцам для понимания роли инъекционных систем.

Будущее применение в биомедицине

Исследования помогают понять, как организмы, производящие CIS, влияют на своё окружение. Различные элементы этих систем (специализированные рецепторы, вариабельный "груз", механизмы закрепления) определяют их конкретное назначение и механизм действия.

Модульная структура CIS открывает перспективы для биомедицины: путём перепроектирования "молекулярный арбалет" можно направить на определённые типы клеток для доставки лекарств или антимикробных средств.