Бактерии с «наматывающей ДНК» способностью проливают свет на устойчивость к антибиотикам

Новое исследование Университета Индианы выявило ранее неизвестную роль белка, который помогает бактериям «наматывать» ДНК из окружающей среды — подобно рыболову, вытягивающему улов из океана.

Это открытие стало возможным благодаря новому методу визуализации, разработанному в IU, который впервые позволил ученым увидеть, как бактерии используют свои длинные подвижные отростки — пили — для связывания или «гарпунирования» ДНК в окружающей среде. Исследование, опубликованное 18 октября в журнале PLOS Genetics, фокусируется на том, как они «подтягивают» свой улов.

Понимание механизмов этого процесса может ускорить разработку новых способов остановки бактериальной инфекции.

«Проблема устойчивости к антибиотикам очень актуальна для этой работы, поскольку способность пилей связывать и "наматывать" ДНК — один из основных способов, с помощью которых бактерии эволюционируют, чтобы противостоять существующим лекарствам», — сказал Анкур Далия, старший автор исследования. — «Улучшенное понимание этой "наматывающей" активности может помочь в разработке стратегий по ее остановке».

Акт поглощения и включения генетического материала из окружающей среды — естественная трансформация — это эволюционный процесс, посредством которого бактерии приобретают определенные признаки от других микроорганизмов, включая гены, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам.

Потребность в новых методах остановки бактериальных инфекций растет. Чрезмерное использование существующих антибиотиков ускоряет эволюцию инфекционных организмов, что ведет к быстрому истощению арсенала эффективных методов лечения. К 2050 году, по оценкам, 10 миллионов человек могут ежегодно умирать от устойчивости к противомикробным препаратам.

Открытие третьего «мотора»

Хотя под микроскопом пили могут выглядеть как крошечные руки, на самом деле они больше похожи на конструктор, который быстро собирается и разбирается снова и снова. Каждый «элемент» в структуре — это белковая субъединица, называемая основным пилином, которая собирается в филамент — пилусное волокно.

«Ранее в этом процессе полимеризации и деполимеризации были замешаны два основных мотора», — говорит Дженнифер Члебек, ведущий автор исследования. — «В этой работе мы показываем, что существует третий мотор, участвующий в процессе деполимеризации, и начинаем распутывать, как он работает».

Два ранее охарактеризованных «мотора», контролирующих активность пилей, — это белки PilB (конструирует пили) и PilT (деконструирует их). Эти моторы работают, используя АТФ — источник клеточной энергии. В этом исследовании ученые IU показали, что остановка этого процесса, которая отключает питание PilT, не предотвращает втягивание пилей, как считалось ранее.

Вместо этого они обнаружили, что третий моторный белок, называемый PilU, может обеспечивать втягивание пилуса даже при неактивном PilT, хотя это втягивание происходит примерно в пять раз медленнее. Исследователи также выяснили, что отключение питания у обоих ретракционных белков замедляет процесс втягивания до мучительно низкой скорости — в 50 раз медленнее. Нормальный пилус втягивается со скоростью одной пятой микрона в секунду.

Роль белка PilU

Кроме того, исследование показало, что отключение PilU влияет на силу втягивания пилуса (это измеряли коллеги из Brooklyn College). Также было продемонстрировано, что PilU и PilT не образуют «гибридный» мотор. Вместо этого эти два независимых мотора каким-то образом координируются друг с другом, чтобы опосредовать втягивание пилуса.

«Хотя белок PilU ранее был вовлечен в активность пилей, его точную роль было трудно определить, потому что клетки, лишенные этого белка, обычно демонстрируют лишь очень тонкие эффекты», — добавила Члебек. — «Наше наблюдение, что PilU может поддерживать втягивание пилуса в мутантном штамме, когда мы "бросали гаечный ключ" в мотор PilT, стало ключом к пониманию того, как этот белок помогает в деполимеризации пилей».

Возможность точно измерить скорость втягивания пилей — и, следовательно, точно оценить влияние изменения белков на этот процесс — стала возможной благодаря способности видеть пили под микроскопом. Это стало реальностью только после прорывного метода визуализации, изобретенного в IU.

«Возможность флуоресцентно окрашивать пили была огромным прорывом», — сказал Далия. — «Это позволило нам не только увидеть активность пилей, но и измерить ее способами, которые в прошлом были бы просто невозможны».

В дальнейшем Члебек планирует выяснить, как пили все еще втягиваются, когда питание отключено у обоих ретракционных моторов, а также изучить, как эти идеи могут быть применены для понимания активности пилей у других штаммов бактерий.