Бактерии могут полностью менять белки внешней мембраны за два поколения

Исследование, проведенное в Оксфордском и Йоркском университетах, показало, как группа бактерий быстро адаптируется к изменяющимся условиям роста. Это открытие может иметь значение для будущей разработки антибиотиков.

Работа под руководством профессора Колина Клиантуса (Оксфорд) и доктора Кристофа Баумана (Йорк) с участием ключевых сотрудников опубликована в журнале Nature.

Грамотрицательные бактерии являются основной причиной заболеваний, отчасти благодаря своей прочной внешней мембране, защищающей их от иммунной системы и некоторых антибиотиков. Они могут жить в широком диапазоне сред — например, E. coli обитает как в речной воде, так и в организмах людей и животных.

У бактерий есть сложные регуляторные механизмы, обеспечивающие наличие правильного набора белков внешней мембраны (outer membrane proteins, OMPs) для конкретной среды. Однако до сих пор было мало известно о том, как OMPs заменяются во внешней мембране при адаптации бактерий к изменениям условий роста.

Новое исследование описывает, как бактерии способны менять белки в своей внешней мембране, и как этот процесс тесно связан с встраиванием новых белков в мембрану.

Ученые отследили, как колицины — токсины, продуцируемые некоторыми штаммами E. coli — проникают в бактерии через специфические OMP-рецепторы. Используя флуоресцентную микроскопию одиночных молекул, они заметили, что связанные с колицином рецепторы ведут себя в мембране необычным образом.

Исследователи обнаружили, что сотни рецепторов собираются во внешней мембране в структуры, названные ими «островками OMP» (OMP islands), что и вызывает наблюдаемый «эффект блокировки».

Ученые воспроизвели это сложное поведение OMPs грамотрицательных бактерий, используя очищенные белки в искусственной мембранной системе. Они обнаружили, что OMPs имеют естественную тенденцию к самоассоциации.

Островки OMP содержат важную молекулярную машину, ответственную за встраивание новых OMPs в мембрану. Хотя присутствие этой машины в островках не стало неожиданностью, совершенно неожиданным оказалось открытие, что она отключается по мере созревания внешней мембраны. Это важная часть нового механизма, поскольку это означает, что «старые» и «новые» OMPs не смешиваются.

Исследователи обнаружили, что старые OMPs вытесняются к концам растущей клетки по мере того, как новые OMPs встраиваются в центральную область. После двух клеточных делений появляются клетки, в которых не осталось исходных OMPs. Проще говоря, бактерия вроде E. coli может сменить белковый «покров» внешней мембраны всего за два поколения.

Ученые полагают, что их работа окажет большое влияние на понимание устройства бактериальной внешней мембраны. Она открывает множество новых направлений для исследований и также предполагает новые потенциальные мишени для разработки антибиотиков, например, нарушение структуры островков OMP.