Учёные впервые детально увидели архитектуру хеморецепторов в бактериальных клетках

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) впервые визуализировали и описали точное расположение хеморецепторов — рецепторов, которые чувствуют и реагируют на химические стимулы — в бактериях. Они обнаружили, что эта специфическая архитектура одинакова у самых разных видов бактерий, что указывает на её стабильную, универсальную и эволюционно консервативную структуру.

Исследование, опубликованное в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), может помочь лучше понять сложные сигнальные пути, лежащие в основе многих биологических процессов.

Бактерии плавают, используя жгутики, но им нужно решать, куда плыть. «Они стремятся плыть к благоприятной среде и прочь от неблагоприятной», — объясняет руководитель исследования Грант Дженсен, профессор биологии Caltech и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI).

Роль «антенн» играют хеморецепторы — крошечные белковые молекулы, расположенные в передней части бактерии. «Он связывается с питательными веществами и другими химическими стимулами», — говорит Дженсен.

Когда бактерия, такая как Escherichia coli, встречает питательные вещества, они связываются с хеморецепторами. «Это передаёт сигнал внутрь клетки о том, что всё хорошо, и бактерия продолжает плыть в том же направлении. Если же хороших питательных веществ нет, клетка совершает "кувырок" — останавливается, случайно переворачивается в жидкости, а затем начинает плыть в случайном направлении в поисках лучших условий».

Учёные полагают, что исключительная чувствительность системы к изменениям концентрации стимулов связана со способностью сотен хеморецепторов объединяться в кластеры. «Известно, что если один рецептор связывает молекулу стимула, он активирует и окружающие его рецепторы, усиливая сигнал», — поясняет Дженсен.

Чтобы понять, как рецепторы взаимодействуют друг с другом, необходимо было «увидеть» их точное расположение. Команде Дженсена это удалось с помощью современного криоэлектронного микроскопа, приобретённого на средства фонда Гордона и Бетти Мур.

«Криоэлектронный микроскоп позволяет увидеть расположение отдельных белков внутри клеток в естественном состоянии. Для этого живые клетки быстро замораживают, чтобы все белки остались на своих местах», — говорит Дженсен.

Техника электронной криотомографии позволила получить 3D-изображения интактных клеток. Исследователи проанализировали около 700 томограмм бактериальных клеток. «Впервые такое большое количество томограмм было использовано для решения биологического вопроса», — отмечает первый автор статьи в PNAS, постдок Caltech и сотрудник HHMI Ариан Бригель.

Учёные увидели, что хеморецепторы расположены в виде регулярной решётки из повторяющихся шестиугольников, расстояние между центрами которых составляет 12 нанометров. В каждой вершине шестиугольника находится по шесть хеморецепторов, организованных в так называемые «тримеры димеров»: три пары связанных рецепторов. Два рецептора в каждом димере переплетаются друг с другом, а затем три димера группируются в вершине шестиугольника, образуя тример.

«Красота в том, что мы показали: рецепторы в клетках кластеризуются так же, как и в кристаллической структуре. Раньше мы не знали, не была ли это артефактом кристаллографии. Теперь мы видим, как части собираются вместе в реальных клетках», — говорит Дженсен.

Исследование также показало, что эта архитектура не является особенностью одного вида. «Мы изучили 13 различных видов, охватывающих всё бактериальное царство. Решётки были одинаковыми. Это показывает, что данная структура универсально консервативна», — заявляет Дженсен.

Это важное знание, поскольку оно даёт учёным основу для понимания того, как такая архитектура обеспечивает чувствительность бактерий к химическим сигналам среды, и подтверждает, что исследования на модельных системах, таких как E. coli, будут иметь общее применение.

«Бактериальный хемотаксис состоит всего из нескольких ключевых компонентов, что делает его важной моделью для всех клеточных сигнальных путей», — говорит Бригель. «Сначала нам нужно понять эту систему, прежде чем мы сможем надеяться полностью понять более сложные эукариотические сигнальные системы. Хемотаксис также играет важную роль на первых этапах инвазии хозяина для патогенных бактерий. Его понимание может помочь в разработке новых противомикробных агентов».