Как бактерии перемещают клеточный груз, «скользя» по белкам

Бактерии делятся, образуя две дочерние клетки с тем же генетическим материалом, что и у исходной. Во время этого процесса ДНК и другие клеточные компоненты реплицируются, а затем этот «груз» транспортируется к противоположным концам клетки.

У эукариот (клетки животных, растений, грибов) для этого используются белковые моторы, которые движутся по «магистралям» из актиновых филаментов и микротрубочек. У бактерий нет таких структур, но они всё равно координируют движение внутри клетки.

Исследователи из Мичиганского университета обнаружили, что некоторые бактерии перемещают клеточный груз, «скользя» по белкам, называемым ParA/MinD ATPазами. Эти белки, или «позиционирующие системы», часто предназначены для транспорта только одного конкретного клеточного компонента — у каждого груза есть своя собственная «доска для сёрфинга». Эти движения могут влиять друг на друга, что проливает свет на то, как бактерии координируют сложные процессы перед делением.

Модельная бактерия

Модельные виды бактерий, обычно используемые в исследованиях (например, E. coli), часто не имеют множества активных позиционирующих систем. Используя биоинформатические методы, команда обнаружила, что более трети всех секвенированных бактерий кодируют множественные позиционирующие системы для разных грузов в одной клетке.

Для исследования была выбрана бактерия Halothiobacillus neapolitanus, у которой есть семь различных позиционирующих систем для семи разных грузов. Учёные научились культивировать этот вид, пометили флуоресцентными метками пять грузов и наблюдали за их движением в живых клетках. Удаление каждой системы показало, что каждая отвечает за свой специфический груз.

Системно-биологический подход

Это исследование стало одним из первых, где для изучения пространственной организации бактериальной клетки применён системно-биологический подход. Он позволяет увидеть взаимосвязи между разными процессами, которые упускаются при изучении одной мутации.

«Мы обнаружили, что существует много перекрёстных взаимодействий, взаимозависимостей и координации между этими организующими процессами», — объяснил Энтони Веккьярелли (Anthony Vecchiarelli). «Вот почему системно-биологический подход так важен».

Будущие применения

Результаты открывают новые перспективы для биотехнологий. Каждая позиционирующая система состоит из ATPазы и её адаптерного белка («доски для сёрфинга»), который связывается с грузом. Это позволяет создать инструмент синтетической биологии для точного позиционирования любого нужного исследователям груза путём присоединения к адаптеру.

«Теперь, когда мы идентифицировали пять различных взаимодействующих позиционирующих систем, мы надеемся разработать набор инструментов синтетической биологии для позиционирования широкого спектра синтетических и природных грузов в бактериях для биотехнологических применений», — сказал Веккьярелли.

Также планируется изучить движение грузов у медицински значимых микробов, например, патогенов. «Для бактериальных патогенов понимание того, как «сломать доску для сёрфинга», может помочь нам разработать новые антибиотики», — отметил учёный.

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.