Холерный нано-кинжал: учёные увидели, как патоген уничтожает бактерии-конкуренты и клетки человека

Бактерии ведут постоянную войну за доминирование над конкурентами и, в случае патогенов, над заражённым организмом. Новое исследование показывает, что возбудитель холеры Vibrio cholerae убивает микробных соперников, поражая их выстреливаемым отравленным кинжалом. Без этой защиты — системы секреции VI типа (T6SS) — V. cholerae, возможно, не смогла бы вытеснить соседей и ежегодно заражать миллионы людей.

Результаты будут опубликованы 26 февраля в журнале Nature.

Исследование началось с гипотезы, что механизм T6SS холеры аналогичен системе, которую бактериофаги используют для впрыскивания своего генетического материала в бактерию. Гипотеза основывалась на биохимических данных о схожести белковых структур компонентов фага и T6SS. Для её подтверждения нужно было увидеть T6SS в действии. Джон Мекаланос из Гарвардской медицинской школы и Грант Дженсен из Калифорнийского технологического института объединились, чтобы заснять работу системы в реальном времени.

«Эти изображения поразительны», — сказал Мекаланос. — «Они показывают, как работает эта прекрасная наномашина, и дают новое понимание того, как V. cholerae убивает другие бактерии и клетки человека».

С помощью флуоресцентной микроскопии учёные увидели, как в клетке V. cholerae формируется длинная трубчатая структура T6SS, которая затем резко сокращается вдвое менее чем за пять миллисекунд. Та же структура за секунды восстанавливалась в вытянутой форме в другом месте клетки, и процесс повторялся снова и снова, не причиняя вреда самой бактерии.

«Как киноубийца Мачете, эта бактерия-убийца заряжена множеством кинжалов», — отметил Мекаланос.

Электронная криомикроскопия позволила получить трёхмерные изображения клетки. Они показали, что в вытянутой конформации «ножны» T6SS заряжены внутренней структурой — ядовитым кинжалом, — а в сокращённом состоянии они пусты. Учёные предполагают, что, сокращаясь, ножны выстреливают кинжал, который прокалывает внешнюю мембрану V. cholerae, а затем — соседние клетки-жертвы.

Два метода дополняют друг друга: флуоресцентная микроскопия даёт «видео» работы аппарата в живой бактерии в реальном времени, а электронная криомикроскопия — статические, высокодетализированные «снимки» компонентов T6SS и переходных состояний её структуры.

Изображения подтверждают эволюционную связь систем T6SS и фаговых ножен, хотя неясно, какая из них появилась первой. Однако системы различаются ключевым образом. Например, фаг доставляет полезную нагрузку лишь однажды, а система T6SS может многократно собираться, стрелять, разбираться, переформировываться и снова стрелять.

Наблюдение за скоростью сокращения T6SS также позволяет предположить, что сокращение фаговых ножен должно быть чрезвычайно быстрым, поскольку сам процесс инъекции у фагов ещё никогда не удавалось заснять в реальном времени.

Дженсен подчеркнул, что разрешение, достигнутое в этом исследовании, вероятно, является рекордным. Дальнейшая работа будет направлена на выяснение того, как именно T6SS прокалывает другие клетки, а также на сравнение структуры и функции различных систем T6SS у других бактерий.

«В будущем мы хотели бы перепроектировать и перенастроить системы T6SS для выполнения задач по нашему выбору, — сказал Дженсен. — Например, для доставки токсинов в раковые клетки».

Мекаланос также отметил потенциальные биомедицинские применения открытия: «Мы знаем, что T6SS важна для вирулентности нескольких видов бактерий. Поэтому эта система может быть полезной моделью для поиска лекарств, подавляющих активность T6SS».