Ученые создали «молекулярную иглу», упростив биологическую систему
Ученые под руководством Томаса Марловица из Центра структурной системной биологии (CSSB) в сотрудничестве с коллегами из Массачусетского технологического института (MIT) применили минималистичный подход к сложной биологической системе — секреторной системе III типа (T3SS). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Система-мишень
T3SS — это иглоподобная молекулярная машина грамотрицательных бактерий (например, Salmonella), которая транспортирует патогенные белки из бактерии в клетку человека, инициируя инфекцию. Её работа строго регулируется, а регуляторные элементы сильно зависят от окружающей среды.
Минималистичная реконструкция
Ученые задались вопросом, можно ли удалить все регуляторные элементы и заново собрать (рефакторить) игольчатый комплекс, используя базовые генетические принципы. Специалисты MIT методами синтетической биологии воссоздали комплекс Salmonella, заменив или изменив кодирующие и некодирующие участки ДНК синтетическими частями. В результате был создан ультра-упрощённый «генетический остров».
Проверка функциональности
Функциональность системы проверялась в лабораториях Бостона и Вены с помощью биохимических методов. Лаборатория Марловица использовала электронную микроскопию для визуализации целостности всего комплекса.
«За три года исследования потребовалось множество циклов отладки, чтобы получить полностью функциональную систему, — объясняет Марловиц. — Это первый случай успешного применения синтетической биологии к столь сложной системе. Предыдущие рефакторированные системы содержали всего три или четыре белка; T3SS состоит из более чем 20 белков».
Научные выводы
Создание упрощённой T3SS показало, что для сборки функционального игольчатого комплекса не требуются её внутренние регуляторные особенности — их можно заменить. Удаление этого регуляторного «шума» позволило:
- Обнаружить важные функциональные роли внутреннего сайта инициации транскрипции и малой РНК.
- Получить ключевое представление о самих регуляторных элементах. Регуляция, напрямую не участвуя в функции, может обеспечивать эффективное использование клеточных ресурсов и расширять спектр условий, в которых T3SS может работать.
Биотехнологические перспективы
Рефакторированная T3SS может стать новым инструментом в биотехнологии. Упрощённый игольчатый комплекс можно встроить в другие бактерии и активировать с помощью встроенного регуляторного элемента, работающего как молекулярный выключатель.
«T3SS можно использовать как устройство для доставки новых агентов или вакцин, — говорит Марловиц. — Будущие исследования изучат возможность размещения этой рефакторированной системы в новых средах».
Такой минималистичный подход к пониманию сложных биологических систем может стать важным новым инструментом для учёных CSSB, помогая открывать новые элементы в механизмах взаимодействия патогена и хозяина.