Медовая структура — ключ к необычному чутью бактерий
Исследователи из Корнеллского университета изучили сложную молекулярную сеть рецепторов, которая позволяет одноклеточным организмам, таким как бактерии, ощущать окружающую среду и реагировать на химические изменения величиной всего в 1 часть на 1000.
Подобно тому, как человек использует пять чувств, бактерии применяют сложную структуру из тысяч молекул рецепторов, связанных с ними ферментов и связывающих белков, которые пересекают их клеточные мембраны и запускают реакции на внешние химические изменения.
Исследователи из лаборатории Брайана Крейна, профессора химии и химической биологии, совместно с коллегами из лаборатории Гранта Йенсена в Калифорнийском технологическом институте, в беспрецедентных деталях определили гексагональную, похожую на соты, организацию этих рецепторных комплексов.
О своём открытии они сообщили в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 20 февраля.
«Главный результат работы в том, что, используя комбинацию [методов], мы смогли визуализировать эти сложные массивы в живых клетках и определить их структуру — это очень уникальная биологическая сборка, которая сохраняется почти у всех классов подвижных бактерий», — сказал Крейн.
Эти результаты могут найти применение в разработке биовдохновлённых синтетических молекулярных устройств для обнаружения специфических химических веществ с высокой чувствительностью в широком динамическом диапазоне. Они также могут пролить свет на патогенез различных бактериальных заболеваний, таких как сифилис, холера и болезнь Лайма. Кроме того, они могут дать представление о работе иммунной системы человека, где специальные клетки, возможно, используют аналогичные кооперативные сети рецепторов для распознавания и борьбы с чужеродными антигенами, отметил Крейн.
Учёные пытаются понять, как один рецептор — обнаружив, например, питательные вещества, кислород или изменение кислотности — запускает коммуникацию через несколько ферментов в комплексе, инициируя цепную реакцию. Эта кооперация приводит к усилению или амплификации сигнала, который в конечном итоге передаётся хвостам (жгутикам) бактерии, влияя на характер их вращения. Такая реакция позволяет бактерии двигаться к источникам пищи или от токсичной среды.
Новая работа делает большой шаг к пониманию этого механизма, впервые демонстрируя, как отдельные части рецепторов, ферментов и связывающих белков соединяются вместе, образуя протяжённую сеть. Она основывается на предыдущей работе лаборатории Крейна, выполненной в сотрудничестве с Джеком Фридом, профессором химии и химической биологии Корнелла.
«Мы смогли увидеть, как ферменты и белки связаны в сложном массиве, а также их взаимодействие с рецепторами», — сказал Сяосяо Ли, аспирант и соавтор исследования.
Высокодетальные рентгеновские снимки бактериального мембранного рецепторного комплекса были получены после его экстракции, очистки и кристаллизации в Корнеллском источнике синхротронного излучения (CHESS). Учёные реконструировали сложную молекулярную структуру комплекса с точностью до нанометра (одной миллиардной метра). Изображения структуры также были получены внутри живых клеток путём их быстрой заморозки и последующего рассеяния на них электронов.
Исследователи установили, что тримеры (группы по три) молекул рецепторов расположены в вершинах шестиугольников, окружающих кольца ферментов и связывающих белков. Эти кольца, соединённые белками, образуют основу протяжённой сети, похожей на соты.