Изучение бактерий с «множественной личностью»
Цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, десятилетиями были предметом споров об их классификации. Они размножаются и обмениваются ДНК с другими бактериями, но являются единственным типом бактерий, способным к фотосинтезу, как растения.
Ученые давно считают, что у цианобактерий, так сказать, «множественная личность». Они уникальны, поскольку формируют ключевые компоненты множества различных экологических процессов.
Исследователи из Центра структурной биологии (SBC) Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Центра структурной геномики Среднего Запада и Чикагского университета изучили явление гетероцистной дифференцировки у цианобактерий.
Клетки цианобактерий группируются в длинные нити, содержащие десятки и даже сотни клеток. Не все клетки одинаковы:
- Большинство участвует в фотосинтезе.
- Некоторые превращаются в клетки, преобразующие атмосферный азот в аммиак в процессе фиксации азота.
Фотосинтез и фиксация азота — два важнейших и повсеместных биохимических процесса в окружающей среде. Понимание и управление дифференцировкой этих бактерий позволит лучше использовать природные пути для имитации естественных процессов, включая потенциальное создание биотоплива.
Гетероцистная дифференцировка контролируется специальным белком HetR, который распознает и связывается с определенным участком ДНК бактерии. Действие HetR, в свою очередь, регулируется ингибиторами, контролирующими частоту превращения фотосинтезирующей клетки в азотфиксирующую.
В долгосрочной перспективе ученые стремятся синтезировать и охарактеризовать ингибиторы, способные контролировать «переключение» цианобактерий. Для этого использовались высокоэнергетические рентгеновские лучи от Advanced Photon Source в Аргонне. Рентгеновский луч направляли на небольшой кристаллический образец белка HetR, а полученная картина рассеянного света позволила определить структуру белка.
Было обнаружено, что активность HetR контролируется процессом димеризации: две отдельные молекулы HetR соединяются, образуя более крупную структуру, которая связывается с ДНК бактерии. Предполагается, что комплекс HetR/ДНК привлекает другие белки, инициирующие дифференцировку клеток.
С момента основания в 1998 году SBC внес в Protein Data Bank более 3250 отдельных структур, а исследования центра привели к публикации более 1100 научных статей.