Учёные выяснили, как бактерии используют жидкие белковые капли для преодоления стресса

Исследование показало, как бактерии образуют крошечные жидкие капли из белков, чтобы выживать в суровых условиях и снижать вероятность гибели от антибиотиков.

Учёные раскрыли, как агрегасомы — микроскопические жидкие капли, собранные из нескольких разных белков — формируются в ответ на усиление стресса у бактерий. Бактерии могут образовывать более успешные агрегасомы для выживания в таких условиях.

Исследовательская группа под совместным руководством учёных из Йоркского университета и Пекинского университета обнаружила, что экологический стресс связан со снижением уровня химического вещества АТФ — «универсальной энергетической валюты клетки» — внутри бактерий. Считается, что это снижение может влиять на растворимость ключевых клеточных белков, побуждая их собираться в капли.

Это исследование может помочь разгадать загадку, как определённые типы бактерий могут как переживать длительные курсы антибиотиков, так и, мутируя свои гены, увеличивать вероятность формирования полной устойчивости к ним.

Используя передовую оптическую микроскопию и компьютерное моделирование, исследователи показали, что образование капель объясняется физикой «жидкостно-жидкостного фазового разделения».

Учёные утверждают, что силы притяжения между молекулами в растворе заставляют их собираться вместе, образуя полустабильные структуры с интересными жидкими свойствами. В случае агрегасом они состоят из нескольких сотен молекул разных белков. Молекулы внутри агрегасомы остаются свободными для движения, как в любой жидкости, и обмениваются с молекулами снаружи.

Собирая белки, необходимые для основных клеточных процессов, в капли, бактерии эффективно хранят их во время стресса, пока клетка «отключается». Это сохраняет белки в безопасности до тех пор, пока вредная среда не отступит, и помогает клетке восстановиться.

Соавтор исследования профессор Марк Лик из Йоркского университета отметил: «Наше исследование показывает, что агрегасомы в бактериях — высокодинамичные структуры; это то, что мы назвали бы «клеточными органеллами», но у них нет внешней мембраны, как у более изученных органелл, например, ядра в наших собственных клетках».

«Опора на более фиксированные структуры, такие как мембраносвязанные органеллы, слишком медленна: они не позволяют бактериям достаточно быстро реагировать на быстро меняющуюся среду, поскольку создание и разрушение мембраны, а также отбор молекулярных компонентов для входа и выхода требуют времени. Агрегасомы решают эту проблему, вообще не используя мембрану. Вместо этого бактерии, что примечательно, адаптировали базовую физику фазового разделения жидкостей, чтобы помочь себе выжить».

Международная команда исследователей из разных дисциплин, включая биофизику, микробиологию, генетику, математику и информатику, внесла вклад в эту работу.

Команда использовала флуоресцентные метки на молекулах белков агрегасом, чтобы отслеживать их местоположение в живых клетках бактерий E. coli, очень похожих на те, что находятся в нашем кишечнике. Они применили математическое моделирование и компьютерные симуляции, чтобы определить, как жидкостно-жидкостное фазовое разделение приводит к наблюдаемому формированию высокодинамичных белковых капель.

Профессор Лик добавил: «Единственный способ получить это новое понимание — это большая команда с опытом, охватывающим множество дисциплин, используя достижения экспериментальной биофизики от моей команды, инновационные теоретические подходы от команды Тома Маклиша в Йорке и передовую бактериальную генетику от группы Фань Бая в Пекине».

«Исследования по пониманию работы этих замечательных биологических жидких капель на уровне отдельных молекул, как мы сделали здесь, могут помочь нам понять, почему что-то идёт не так в случае некоторых заболеваний, вызванных не только бактериями, но и при состояниях иммунной системы и деменции, которые, по-видимому, связаны с каплевидными молекулярными сборками. Это может помочь проложить путь к новым лекарствам, которые либо предотвращают образование определённых капель, либо нацелены на их разрушение».

Исследование «Membraneless organelles formed by liquid-liquid phase separation increase bacterial fitness» опубликовано в журнале Science Advances.