Ученые выяснили, как работает обоняние у бактерий
Ученые из МФТИ с международными коллегами предложили универсальный механизм обоняния у бактерий. Они определили структуру белка NarQ из Escherichia coli (E. coli), который относится к универсальному классу сенсорных гистидинкиназ, отвечающих за передачу сигналов о внешней среде. Работа, опубликованная в Science, описывает, как бактерии общаются и формируют биопленки.
Лекарства, воздействующие на это "обоняние", потенциально могут стать заменой антибиотикам. Они не убивают бактерии, а подают сигналы, делающие их безвредными. Теоретически, к такой атаке не может развиться устойчивость.
Как клетка чувствует запах
Клеточная мембрана ограничивает обмен информацией. Для восприятия внешней среды клетка использует специальные белки. Универсальный механизм для бактерий — двухкомпонентные системы, состоящие из киназы (принимает сигнал снаружи) и регулятора ответа (запускает реакции внутри).
Фотография молекулы
Чтобы понять, как работают белки, нужно увидеть их структуру на атомном уровне. Чаще всего это делают с помощью рентгеноструктурного анализа, который показывает структуру одного состояния белка, как фотографию. Сравнив начальное и конечное состояния, можно понять механизм работы.
Мембранные "поршни" обоняния
Авторы получили структуру двух состояний киназы NarQ из E. coli, которая чувствует наличие нитратов (NO3-) в среде.
- Неактивное состояние: белок не связан с ионом нитрата и не передает сигнал.
- Активное (сигнальное) состояние: киназа передает сигнал внутрь клетки о наличии нитратов.
Структуру в активном состоянии получили для нативного белка. Для неактивного состояния мутировали сайт связывания нитрата.
Оказалось, что состояния отличаются в сайте связывания всего на 0.5–1 Å (1 Å = 10-10 м), что примерно в 5 раз меньше размера самого иона. Однако связывание иона вызывает масштабные изменения в белке. Спирали разных мономеров начинают двигаться, как поршни, передавая малое смещение через мембрану.
Внутри клетки, в HAMP-домене, эти смещения преобразуются во вращение частей NarQ. В итоге позиции выходных спиралей меняются на целых 7 Å, завершая передачу сигнала.
Ученые также получили структуру с асимметричным положением белков, где белок сильно изогнут, но эффект на регулятор почти не меняется. Эта универсальность движения показывает, что механизм передачи сигнала общий для разных сенсоров.
"Как сигналы передаются через клеточную мембрану — один из фундаментальных вопросов. Мы показали в деталях, как связывание нитрата может передаваться на сотни ангстрем внутрь клеток бактерий, архей, грибов и растений. Понимая эти механизмы, мы сможем научиться управлять такими клетками, в частности, ослаблять вредное воздействие патогенов", — прокомментировал Иван Гущин, руководитель лаборатории МФТИ.