Бактерии атакуют с помощью «отравленных кинжалов» на пружинном механизме

Бактерии используют разные системы для секреции белков в окружающую среду или в другие клетки. Например, некоторые имеют шприцевидные структуры, прокалывающие клетки-мишени. Другая система — секреционная система VI типа (T6SS) — встречается примерно у четверти бактерий с двумя мембранами. Несмотря на распространённость, её механизм оставался неясным. Теперь команда учёных, включая исследователей из Калифорнийского технологического института (Caltech), определила структуру аппарата T6SS и предложила модель его работы: он выстреливает «отравленными молекулярными кинжалами» на пружинном механизме.

«Людей не удивляет, что у животных есть интересные способы причинять вред — у змей есть яд, у медведей — когти. Но они могут удивиться, узнав, что одна клетка в теле такого животного всё ещё в 100 раз больше бактериальных клеток, о которых мы говорим, и тем не менее эти бактериальные клетки содержат оружие такой сложности. Вот это чудо», — говорит профессор биологии Caltech Грант Дженсен.

Это нанооружие (длиной не более 80 атомов, выстроенных в ряд) представляет собой трубку, которая резко сокращается, выстреливая внутренним «кинжалом» через мембраны клетки в окружающую среду и, возможно, в другую клетку. Затем трубка разбирается и может собраться в другом месте клетки, готовясь к новому выстрелу.

Исследование, проведённое совместно с учёными из Гарвардской медицинской школы, опубликовано в журнале Nature.

Работа началась со случайного открытия. Лаборатория Дженсена использовала криоэлектронный микроскоп (позволяющий наблюдать образцы в близком к нативному состоянию) для изучения штамма Vibrio cholerae. В отличие от традиционной электронной микроскопии, криоэлектронная томография (ECT) предполагает быструю заморозку образцов в слой прозрачного льда. Микроскоп делает снимки высокого разрешения при вращении образца, которые затем объединяются в 3D-видео (томограммы).

Изначально целью было наблюдать, как V. cholerae разделяет две копии генетического материала перед делением. Вместо этого учёные заметили относительно крупные трубчатые структуры, проходящие через всю ширину клеток. Их природа была неизвестна.

Дженсен показывал предварительные изображения загадочных структур на лекциях, пока ему не посоветовали обратиться к Джону Мекаланосу из Гарвардской медицинской школы, участвовавшему в первоначальном открытии T6SS. После того как постдок Мартин Пилхофер из лаборатории Дженсена детально изучил систему, группа Мекаланоса пришла к выводу, что эти трубки могут участвовать в транспорте белков.

Лаборатория Мекаланоса создала версию V. cholerae без одного из белков, составляющих трубку. Без этого белка система T6SS исчезла. В другом эксперименте белки пометили флуоресцентными метками и смогли в реальном времени наблюдать в живых клетках формирование и сокращение структур.

«Когда трубка сокращается, происходит выстрел. Этот результат хорошо согласуется с тем, что мы видели в криоэлектронный микроскоп, где наблюдали длинные трубчатые структуры в двух конформациях — вытянутой и сокращённой. Если криоэлектронная микроскопия позволила увидеть секреторный аппарат с высоким разрешением, то флуоресцентное исследование дало понимание динамики системы», — поясняет Пилхофер.

Механизм выстрела похож на тот, что используют бактериофаги (вирусы, поражающие бактерии). Хвосты фагов состоят из внешнего чехла и внутренней трубки, которая выталкивается. Поскольку ранее было установлено, что белки системы T6SS похожи на белки различных частей хвоста фага и связанных с ним структур, это служит дополнительным подтверждением новой модели работы T6SS.

«Эти удивительные трубки внутри клетки оставались незамеченными десятилетиями традиционной электронной микроскопии и могли бы оставаться таковыми ещё долго. Но Caltech много лет назад, благодаря щедрой поддержке Фонда Гордона и Бетти Мур, сделал мудрое вложение в наш уникальный криоэлектронный микроскоп, и именно он позволил нам увидеть эти структуры», — говорит Дженсен.