Бактерии с «датчиками силы»

Если волокна соединительной ткани находятся под натяжением, бактерии связываются с ними хуже. Однако если волокна разрезаны и ослаблены, молекулы адгезии бактерий распознают это и прикрепляются, что позволяет им вызывать инфекции.

Клетки в живых организмах постоянно тянут окружающие их фибриллы матрикса, например, волокна белка фибронектина. Следовательно, фибронектин в неповрежденной соединительной ткани часто растянут. При порезе или когда ферментативные процессы при воспалении вызывают своего рода разрез в ткани, натяжение волокон фибронектина теряется. Растворенный в крови фибронектин играет важную роль в заживлении ран. Клетки вплетают его в сеть волокон, что инициирует первый этап восстановления ткани. Натяжение волокон снова нарастает только после начала процесса восстановления ткани фибробластами — это визуально сигнализируется морщинистыми краями раны при заживлении.

Сайты связывания, нанизанные как бусы

Фибронектин структурирован как ожерелье из примерно 50 «бусин», и многие из них экспонируют сайт связывания для молекул, важных в соединительной ткани, например, для коллагенов или клеток. В конце молекулы есть пять «бусин», к одной из которых бактерии также могут связываться через определенные сегменты длинных белковых нитей, украшающих их поверхность. Бактерии, такие как Staphylococcus aureus (грозный больничный микроб и типичный возбудитель абсцессов и фурункулов), могут специфически распознавать фибронектин и таким образом инфицировать раны.

Моделирование на суперкомпьютере

Исследовательская группа под руководством Виолы Фогель, профессора биологически ориентированных материалов в ETH Zurich, изучила, как силы натяжения, с которыми клетки растягивают волокна соединительной ткани, влияют на взаимодействие между бактериями и фибронектином. Ученые использовали суперкомпьютер для моделирования того, как меняется структура комплекса между фибронектином и бактериальной белковой молекулой при действии силы натяжения на фибронектин.

Моделирование показало, что хотя бактерия изначально связывается с двумя сайтами на фибронектине, она теряет контакт с молекулой фибронектина на одном сайте, как только на молекулу действует сила натяжения, и связь разрушается. «Модели дают нам высокодетальную картину того, как связь разрывается. Мы никогда не увидели бы этого с помощью микроскопа», — говорит Фогель. Они также показывают, что бактерии хуже связываются с растянутыми волокнами фибронектина. Ученые делают вывод, что молекулы адгезии, которые бактерии используют для прилипания к тканевым волокнам, способны определять физическое состояние молекулы фибронектина. Их исследование было опубликовано в электронном журнале Nature Communications.

Подтверждение в лаборатории

С помощью специальной экспериментальной установки, где волокна фибронектина наносили на эластичные субстраты, аспирантка Мамта Чабрия показала, что процессы, происходящие с растянутыми волокнами фибронектина в присутствии бактериальных молекул адгезии, совпадают с теми, что происходят в модели.

Поскольку известно, что гепарин (используемый в профилактике тромбозов) связывается с фибронектином в тех же сайтах, что и бактерии, ученые исследовали, могут ли большие количества гепарина обеспечить защиту от инфекций. «Хотя мы увидели, что гепарин действительно снижает связывание бактериальных молекул адгезии с фибронектином, бактерии все равно реагируют на механические процессы», — отмечает Фогель.

Знание о том, что крошечная бактерия может распознавать физическое состояние белка и что процесс растяжения меняет адгезию, важно для понимания биохимических процессов. Это одно из многих еще не открытых взаимодействий. К тому же, изучены лишь малые элементы всей области адгезии. «Поэтому мы пока не можем сказать, какие долгосрочные последствия будет иметь это открытие — например, для лечения инфекционных заболеваний», — подчеркивает Фогель. Новое машинное время уже запрошено в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре CSCS в Манно, где профессор ETH Zurich проводит свое моделирование, чтобы разрешить больше вопросов, например, почему разные бактерии, связывающиеся с фибронектином, имеют разное количество молекул адгезии.