Крио-ЭМ раскрывает, как белковые комплексы поддерживают защиту внешней мембраны бактерий

Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) успешно применили крио-электронную микроскопию (cryo-EM), чтобы раскрыть молекулярные структуры критически важных белковых машин, которые транспортируют липиды и поддерживают барьер внешней мембраны (OM) грамотрицательных бактерий.

Рост числа инфекций, вызванных антибиотикорезистентными бактериями, представляет глобальную угрозу для здоровья. Особую тревогу вызывают устойчивые к лекарствам грамотрицательные бактерии, такие как Escherichia coli (E. coli), которые и так трудно уничтожить, поскольку их OM формирует мощный барьер против антибиотиков.

Для поддержания эффективности OM в защите от лекарств бактериальные клетки полагаются на различные белковые машины, которые совместно контролируют липидный состав и организацию в OM. Однако детальные механизмы работы этих машин на молекулярном уровне оставались неясными.

Исследовательские группы под руководством доцента Чнг Шу Син с кафедры химии NUS и Сингапурского центра наук об окружающей среде и инженерии (SCELSE-NUS) сделали ключевые открытия о внутренней работе двух таких белковых машин, транспортирующих липиды в бактериальной клетке для поддержания OM-барьера.

Применив крио-EM одиночных частиц в сочетании с биохимической характеристикой, команды определили молекулярные детали мембранных белковых комплексов OmpC₃-MlaA-MlaC и TolQ₅R₂A, выделенных из E. coli. Они обнаружили, что комплекс OmpC₃-MlaA деформирует локальную мембрану, ослабляя неправильно расположенные липиды, чтобы они проходили через MlaA и попадали в белок-переносчик MlaC.

Используя две родственные структуры белкового комплекса TolQ₅R₂A, команды также лучше поняли его роль в качестве крошечного молекулярного мотора, передающего силу, чтобы помочь клетке поддерживать липидный баланс в OM.

Эти результаты были опубликованы в Journal of the American Chemical Society и Nature Communications.

Доктор Йеу Цзян, старший научный сотрудник в группе Чнг и первый автор обоих исследований, сказал: «Мы впервые видим молекулярную архитектуру комплексов OmpC₃-MlaA-MlaC и TolQ₅R₂A, что открывает новые возможности для разработки будущих антибиотиков против этих новых мишеней».

Стабильность и функция OM грамотрицательных бактерий критически важны для выживания и защиты клетки. Нарушая работу этих белковых машин, поддерживающих OM-барьер, можно разработать инновационные терапевтические стратегии для компрометации целостности бактериальной мембраны, потенциально преодолевая растущую проблему антибиотикорезистентности.

«Как исследовательской группе в области биохимии, удивительно, что мы теперь можем изучать и применять крио-EM для получения молекулярного понимания мембранных белковых машин и выяснения их механизмов у бактерий, что значительно продвигает нашу борьбу с лекарственно-устойчивыми инфекциями», — добавил профессор Чнг.

Команда теперь расширяет свои исследования для изучения других бактериальных систем транспорта липидов.