Бактерии показывают свой металл: эволюционный путь к выживанию

Исследование двух близкородственных белков патогенной бактерии впервые показало, как эволюция может формировать использование ферментами необходимых металлов.

Исследование провела международная команда под руководством доктора Кевина Уолдруна из Университета Ньюкасла и доктора Томаса Кель-Фи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. Работа опубликована в Nature Communications.

Почти половине всех ферментов для катализа необходим кофактор в виде металла — их называют металлоферментами. Распространённость металлоферментов делает понимание принципов, управляющих взаимодействиями металл-белок, важным почти для всех аспектов биологии, медицины и биотехнологии.

Металлоферменты часто высокоспецифичны к своему родственному металл-ионному кофактору, демонстрируя сниженную каталитическую активность при связывании с неправильным металлом in vitro и in vivo. Однако особенности, определяющие, какой металл используется, плохо изучены. Это ограничивает нашу способность манипулировать металлоферментами для создания новых синтетических ферментов, выполняющих полезные химические реакции для биотехнологий, или для разработки ингибиторов металлоферментов для промышленных и медицинских целей, включая противомикробные препараты. Повсеместное семейство железо/марганец-зависимых супероксиддисмутаз (SOD) иллюстрирует этот пробел в знаниях, так как конкретный металл, используемый любым членом семейства, нельзя предсказать in silico.

Две ключевые аминокислоты

Ранее эта же группа исследователей продемонстрировала, что необычная пара металлоферментов SOD у патогенной бактерии Staphylococcus aureus, включая метициллин-резистентный S. aureus (MRSA), играет важную роль во время инфекции. Они обнаружили, что эти металлоферменты SOD по-разному защищают бактерию от атаки иммунной системы.

Одна SOD, консервативная для всех стафилококков, использует исключительно марганец для реакции детоксикации. Вторая SOD S. aureus является «камбиалистической» — она может одинаково хорошо функционировать как с марганцевым, так и с железным кофактором. Эта вторая SOD уникальна для группы S. aureus, которая более патогенна, чем родственные виды, у которых этого металлофермента нет.

В данном исследовании биохимический, структурный и биофизический анализ этих SOD с разной металло-специфичностью выявил две ключевые аминокислоты в структуре SOD, которые изменяют специфичность к металлу. Эти остатки не вступают в прямой контакт с лигандами, координирующими металл, но косвенно контролируют его редокс-свойства. Это демонстрирует, что тонкие архитектурные изменения, вызванные мутациями в аминокислотах рядом с кофактором, могут кардинально изменить использование металла. Биоинформатический анализ, проведённый командой, показал очень близкое эволюционное родство между этими двумя SOD, что предполагает их недавнее расхождение.

S. aureus испытывает дефицит марганца во время инфекции. Это, вероятно, создало необходимость для его важного марганец-зависимого фермента переключиться на использование альтернативного иона металла, когда у бактерии развилась способность вызывать инфекцию.

Введение мутаций, идентифицированных командой, в живые клетки S. aureus, которые снижают способность камбиалистической SOD использовать железо, уменьшило способность бактерии противостоять супероксидному стрессу при дефиците металла, вызванном хозяином.

Исследование иллюстрирует, как эволюция сформировала использование металла, внося незначительные изменения в химическое окружение редокс-активного металл-кофактора.

На основе текущего исследования команда предполагает, что сдвиг в использовании металла металлоферментами S. aureus был сформирован изменениями в доступности металлов для бактерии по мере её эволюции от комменсального к оппортунистически-патогенному образу жизни.