Исследование проливает свет на сборку бактериальных органелл

Учёные получили самое чёткое на сегодняшний день изображение интактной бактериальной микрокомпартментации, раскрывая с атомарным разрешением структуру и сборку белковой оболочки органеллы.

Работа, проведённая учёными из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США и Университета штата Мичиган (MSU), будет опубликована 23 июня в журнале Science. Они изучали белковую оболочку органеллы у обитающей в океане слизистой бактерии Haliangium ochraceum.

"Это довольно фотогенично, — сказала автор-корреспондент Шерил Керфельд, структурный биолог из Berkeley Lab, также работающая профессором в Лаборатории исследований растений MSU-DOE. — Но что важнее, это даёт самое первое изображение оболочки интактной мембраны бактериальной органеллы. Наличие полной структурной картины мембраны бактериальной органеллы может предоставить важную информацию для борьбы с патогенами или биоинженерии бактериальных органелл в полезных целях".

Эти органеллы, или бактериальные микрокомпартменты (BMCs), используются некоторыми бактериями для фиксации диоксида углерода. Понимание того, как собирается мембрана микрокомпартмента, а также как она пропускает одни соединения и задерживает другие, может внести вклад в исследования по усилению фиксации углерода и, в более широком смысле, в биоэнергетику. Этот класс органелл также помогает многим типам патогенных бактерий метаболизировать соединения, недоступные обычным, непатогенным микробам, что даёт патогенам конкурентное преимущество.

Содержимое этих органелл определяет их конкретную функцию, но общая архитектура белковых мембран BMC принципиально одинакова. Оболочка микрокомпартмента обеспечивает избирательно проницаемый барьер, который отделяет реакции в её внутренней части от остальной клетки. Это позволяет повысить эффективность многоступенчатых реакций, предотвращает нежелательные помехи и ограничивает токсичные соединения, которые могут образовываться в результате инкапсулированных реакций.

В отличие от липидных мембран эукариотических клеток, бактериальные микрокомпартменты (BMCs) имеют многогранные оболочки, состоящие из белков.

"То, что позволяет веществам проходить через мембрану, — это поры, — сказал ведущий автор исследования Маркус Зуттер, старший научный сотрудник MSU и аффилированный учёный в отделении молекулярной биофизики и интегрированной биоимиджинга (MBIB) Berkeley Lab. — Для липидных мембран существуют мембранные белки, которые переносят молекулы. У BMC оболочка уже состоит из белков, поэтому оболочечные белки BMC не только выполняют структурную роль, но и отвечают за избирательный перенос субстрата через белковую мембрану".

Предыдущие исследования выявили отдельные компоненты, из которых состоит оболочка BMC, но визуализация всей органеллы была сложной задачей из-за её большой массы около 6.5 мегадальтон, что примерно эквивалентно массе 6.5 миллионов атомов водорода. Этот размер белкового компартмента может вмещать до 300 белков среднего размера.

Исследователям удалось показать, как пять различных видов белков образуют три различных типа форм: шестиугольники, пятиугольники и сложенная пара шестиугольников, которые собираются вместе в 20-гранную икосаэдрическую оболочку.

Интактная оболочка и компонентные белки были кристаллизованы в Berkeley Lab, а данные рентгеновской дифракции собраны на усовершенствованном источнике света Berkeley Lab и источнике синхротронного излучения Стэнфорда, которые являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.

Авторы исследования заявили, что, используя структурные данные из этой статьи, исследователи смогут разрабатывать эксперименты для изучения механизмов проникновения молекул через эту белковую мембрану, а также для создания пользовательских органелл для улавливания углерода или производства ценных соединений.