Как работает белковый канал, поддерживающий жизнь бактерий

Почти все бактерии полагаются на одни и те же аварийные клапаны — белковые каналы, которые открываются под давлением, выпуская поток содержимого клетки. Это последняя линия защиты, предохранительный механизм, предотвращающий взрыв и гибель бактерии при критическом растяжении. Понимание работы этих каналов позволило бы создавать антибиотики, принудительно открывающие их и истощающие бактерию за счёт общего для многих видов «шлюза».

Однако эти каналы сложно изучать в лаборатории. Их точный механизм открытия и закрытия, включая промежуточные состояния и переход в десенситизированное состояние под действием механических сил, оставался плохо изученным. Новое исследование лаборатории Томаса Вальца из Университета Рокфеллера представило новый метод активации и визуализации этих каналов, позволивший объяснить их функцию. Результаты проясняют работу ключевых мембранных белков бактерий, а метод можно использовать для изучения аналогичных каналов у человека.

«Мы смогли увидеть весь цикл работы белкового канала через серию функциональных стадий», — говорит Вальц.

Вальц давно изучает белок MscS, встроенный в бактериальные мембраны и открывающийся в ответ на механическое усилие. В состоянии покоя в толстой мембране белки MscS находятся в закрытом состоянии. Учёные предполагали, что при накоплении жидкости и набухании клетки, создающем натяжение мембраны, она истончается, и белки выступают наружу. Оказавшись в незнакомой среде, каналы резко открываются, выпуская содержимое клетки и снижая давление, пока мембрана не вернёт исходную толщину, а каналы не захлопнутся.

Однако, когда более пяти лет назад постдок Исяо Чжан из группы Вальца протестировал эту теорию, реконструировав белки MscS в небольших искусственных мембранных фрагментах (нанодисках), он обнаружил, что невозможно открыть канал, истончая мембрану в естественном диапазоне. «Мы поняли, что истончение мембраны — не способ открытия этих каналов», — говорит Вальц.

Нанодиски позволяют изучать белки в практически нативной мембранной среде и визуализировать их с помощью крио-электронной микроскопии. Вальц и Чжан решили расширить возможности технологии, удаляя липиды мембраны с помощью β-циклодекстрина — вещества, используемого для удаления холестерина из клеточных культур. Это создавало натяжение в мембране, и команда могла наблюдать с помощью крио-ЭМ, как канал реагирует, в итоге захлопываясь навсегда (явление десенситизации).

Наблюдения совпали с компьютерным моделированием, и возникла новая модель работы MscS. Когда внутри клетки накапливается жидкость, липиды со всех участков мембраны мобилизуются, чтобы снять общее натяжение. В критической ситуации даже липиды, связанные с каналами MscS, покидают их. Без липидов, удерживающих их закрытыми, у каналов появляется пространство для открытия.

«Мы видели, что при воздействии на мембраны β-циклодекстрином каналы открываются, а затем снова закрываются», — отмечает Вальц.

Новый метод манипуляции нанодисками с помощью β-циклодекстрина позволит исследователям, изучающим десятки похожих механочувствительных белковых каналов, наконец, проверить свои гипотезы в лаборатории. Многие такие белки играют ключевую роль у человека — от слуха и осязания до регуляции кровяного давления. Однако более актуальной является перспектива использования белковых каналов, от которых зависят многие бактерии для выживания. Новые мишени для лекарств особенно необходимы в связи с распространением опасных устойчивых к антибиотикам бактерий, таких как MRSA.

MscS и родственный бактериальный белковый канал MscL — «чрезвычайно интересные мишени для лекарств», говорит Вальц. «Почти у каждой бактерии есть один из этих белков. Поскольку эти каналы так широко распространены, препарат, нацеленный на MscS или MscL, может стать антибиотиком широкого спектра действия».