Новый класс антимикробных веществ обнаружен у почвенных бактерий

Исследователи обнаружили токсичные белковые частицы в форме зонтиков, которые выделяют почвенные бактерии Streptomyces, чтобы подавлять конкурентов, особенно других представителей своего вида.

Открытие частиц токсина-зонтика и связанная с ними информация об их структуре, составе и механизме действия были опубликованы в журнале Nature.

Белки токсина-зонтика — это новейший пример разнообразных атакующих стратегий этих бактерий против микроскопических соперников. В густых и разнообразных бактериальных сообществах, в которых они обитают, происходит настоящая схватка с применением антимикробных атак, контратак и защитных механизмов.

Как ни парадоксально, многие клинически используемые антибиотики получены напрямую или созданы по образцу молекул, которые бактерии используют друг против друга в естественной среде. Химический арсенал Streptomyces против конкурентов является одним из богатейших источников таких молекул. Среди них — распространенный антибиотик широкого спектра действия стрептомицин.

Новые антибактериальные токсины отличаются тем, что, в отличие от низкомолекулярных антибиотиков Streptomyces, токсины-зонтики представляют собой крупные комплексы, состоящие из нескольких белков. Они также гораздо более специфичны в выборе бактерий-мишеней.

Авторы статьи предполагают, что именно эти свойства токсинов-зонтиков объясняют, почему они оставались неоткрытыми более 100 лет исследований токсинов, продуцируемых Streptomyces.

Гены, кодирующие токсины-зонтики, изначально были обнаружены с помощью биоинформатического поиска новых бактериальных токсинов. В биохимических и генетических экспериментах под руководством Циньцинь Чжао в микробиологической лаборатории Джозефа Мугуса в Медицинской школе Вашингтонского университета ученые выяснили, что эти токсины связаны с другими белками в крупный комплекс.

Криоэлектронная микроскопия этих белковых комплексов была выполнена Янгом Парком в лаборатории Дэвида Вислера, профессора биохимии Медицинской школы UW и исследователя Медицинского института Говарда Хьюза.

Эти исследования показали, что выделенные Циньцинь токсиновые комплексы имеют поразительный внешний вид, соответствующий месту их открытия в Сиэтле. Они выглядят как зонтики.

"Форма этих частиц довольно необычна, и в будущей работе будет интересно узнать, как их необычная морфология помогает им уничтожать бактерии-мишени", — отметил Мугус, профессор микробиологии Медицинской школы UW и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.

Затем ученые попытались определить мишени этих токсинов, проверяя их действие на все возможные организмы: от грибов до 140 различных бактерий, включая образцы, взятые из растений сорго в лаборатории соавтора Девина Коулмана в Калифорнийском университете в Беркли и Службе сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.

Среди этих потенциальных противников токсины специфично атаковали своих сородичей: другие виды Streptomyces.

"Мы считаем, что такая исключительная специфичность может быть обусловлена белками, из которых состоят спицы зонтика и которые различаются у разных частиц. К ним относятся белки, которые могут связываться со специфическими сахарами на поверхности бактерий-конкурентов", — прокомментировал соавтор исследования С. Брук Петерсон, старший научный сотрудник лаборатории Мугуса.

Проанализировав тысячи общедоступных бактериальных геномов, соавторы исследования Дапэн Чжан из Университета Сент-Луиса и его аспирант Янгджун Тан обнаружили, что многие другие виды бактерий также имеют гены для производства токсиновых частиц-зонтиков. Интересно, что все эти виды образуют ветвящиеся нити — необычный способ роста среди бактерий.

Помимо множества вопросов, касающихся базовой биологии частиц токсина-зонтика, которые еще предстоит ответить, Мугуса и его коллег интересует их потенциальное клиническое применение.

Они предполагают, что бактерии, вызывающие туберкулез и дифтерию, могут быть чувствительны к токсинам-зонтикам. Они отмечают, что эти же бактерии приобрели устойчивость к традиционным антибиотикам. Ученые предположили, что частицы токсина-зонтика могут быть перспективны для изучения их потенциала в подавлении этих серьезных болезнетворных бактерий.