Как бактерии обходят защиту клеток: ледяные технологии раскрывают механизм инфекции

Бактерии вроде сальмонелл или иерсиний (возбудителей чумы) атакуют клетки организма, впрыскивая специфические бактериальные белки через полые шприцеобразные структуры — инжектисомы. Эти вещества перепрограммируют клетки-хозяева, подавляя их защиту, что позволяет бактериям беспрепятственно проникать внутрь и вызывать такие заболевания, как тиф, чума или холера.

До сих пор оставалось неясным, как эти вещества проходят через механизм инфекции, прежде чем преодолеть защиту клеток и проложить путь для вторжения бактерий.

В своих предыдущих работах Томас Марловиц, профессор структурной и системной биологии, с помощью крио-электронной микроскопии смог расшифровать структуру инжектисомы, известной как система секреции третьего типа (T3SS), почти до атомного уровня. Теперь же исследователи впервые смогли визуализировать весь путь транспорта через инфекционный канал у сальмонелл и структурную реорганизацию бактериальных токсинов во время их переноса.

Технологии холодные как лёд

Для своей работы команда Томаса Марловица использует высокоточный крио-электронный микроскоп со специально разработанным программным обеспечением для визуализации. С помощью этого уникального для Австрии микроскопа изолированные инфекционные механизмы шоково замораживают и фотографируют под разными углами. Это позволяет создать трёхмерную реконструкцию из тысяч отдельных изображений, отображающую форму и структуру механизма в мельчайших деталях. Марловиц и его команда комбинируют эти данные с крио-электронной томографией — методом трёхмерной визуализации мельчайших структур путём шоковой заморозки образцов.

«Структурный анализ работает подобно компьютерной томографии у людей и позволяет исследовать неповрежденные клеточные субструктуры на молекулярном уровне. Таким образом, мы смогли наблюдать транспорт бактериальных субстратов через инжектисому почти в реальном времени», — говорит Томас Марловиц, ведущий автор исследования.

Встроенный контрольный пункт

Вещества для обхода иммунной системы — это бактериальные белки, свёрнутые как комки бумаги. С помощью упомянутых технологий учёные обнаружили, что эти белки должны быть полностью развёрнуты, чтобы пройти через узкий секреторный канал.

«С помощью трёхмерной визуализации мы обнаружили, что канал особенно узок у входа в игольчатое продолжение. Свёрнутый белок никогда не смог бы через него пройти. Наши результаты указывают, что этот узкий канал служит контрольным пунктом, ограничивающим доступ только полностью развёрнутым белкам. Следовательно, они должны претерпевать драматические структурные преобразования перед транспортом и обращать их вспять после попадания в заражённые клетки», — комментирует Томас Марловиц.

Троянские кони для разработки новых антибиотиков

Подобно троянскому коню, обманывающему жертву, чтобы проникнуть в защищённую зону, этот приём можно использовать для разработки новых методов лечения бактериальных инфекций.

«В биологии инфекций наши открытия могут способствовать разработке новых терапевтических стратегий против широкого спектра микробных инфекций. Один из путей — инжектисома могла бы импортировать молекулу, замаскированную под субстрат, которая затем сама стала бы пробкой. Или же природный субстрат можно было бы фармакологически стабилизировать на середине процесса секреции, чтобы закупорить иглу», — говорит Томас Марловиц о будущем применении своей работы.