Новый взгляд на молекулярную структуру «хвоста» холеры может помочь в лечении

Холера — смертельное бактериальное заболевание, от которого ежегодно умирает около 95 000 человек. Бактерии Vibrio cholerae заражают клетки тонкого кишечника, чему отчасти способствуют их жгутики — мощные хвостоподобные структуры, которые патоген использует для передвижения.

Ученые уже идентифицировали белки и другие молекулы, из которых состоит «хвост» V. cholerae. Однако то, как эти части соединяются вместе, оставалось неясным.

Новые методы микроскопии позволили увидеть молекулярную структуру жгутиков у живых бактерий V. cholerae. Об этих результатах исследователи из Йельской школы медицины (YSM) сообщили в журнале Nature Microbiology.

Эти данные помогут лучше понять, как V. cholerae создают свои жгутики и используют их для движения, говорит Цзюнь Лю, профессор микробного патогенеза в YSM и старший автор исследования.

«Чтобы по-настоящему понять механизм работы жгутиков — как они собираются, как вращаются — вам нужно разрешение, близкое к атомному», — говорит Лю. Новые результаты позволили увидеть холеру в «беспрецедентных деталях».

Изучение жгутиков холеры

Уникальные жгутики холеры известны с 1950-х годов. Ученые выяснили, что эти одиночные тонкие структуры, выступающие из конца бактерии, позволяют холере необычайно быстро двигаться в жидкой среде.

Ученые предполагают, что скорость и сила помогают холере преодолевать защитный слизистый слой в тонком кишечнике. Жгутики настолько важны для заражения, что некоторые вакцины против холеры работают, делая бактерии менее подвижными.

Однако, хотя состав жгутиков известен, их базовая структура до сих пор ускользала от изучения. Отчасти потому, что, в отличие от других бактерий, четыре белка, составляющие жгутик V. cholerae, окружены гидрофильной (любящей воду) оболочкой, которая мешает рассмотреть структуру «хвоста» под микроскопом.

Кроме того, современные молекулярные методы требуют умерщвления бактерий и очистки белков, чтобы увидеть их состав. Это значит, что можно увидеть, из чего состоят жгутики, но не то, как эти компоненты соединяются.

В результате структура жгутиков V. cholerae — это «загадка 70-летней давности», говорит Ванбяо Го, постдокторант в лаборатории Лю и первый автор исследования.

Один из способов решить эту загадку — получить высокодетальные изображения жгутиков на молекулярном уровне у живых бактерий. Для этого Го и старшеклассница Сара Чжан, работавшая над проектом летом, помогли разработать новую методику микроскопии.

В сотрудничестве с Мерриллом Аспом исследователи создали мутировавшие V. cholerae, белки жгутиков которых были спроектированы так, чтобы светиться. Затем эти бактерии замораживали в жидком этане и использовали мощный электронный микроскоп, чтобы увидеть структуру жгутиков почти на атомном уровне.

Эти изображения позволили Лю и его коллегам увидеть, как каждый из четырех белков жгутика занимает определенное место внутри защитной оболочки. Работа показала, что жгутики V. cholerae, хотя и скрыты внутри чехла, имеют сходную основную структуру, но другую поверхность по сравнению с жгутиками других бактерий. Это говорит о том, что жгутики V. cholerae развили уникальные адаптации внутри оболочки.

Новые направления для лечения

Что же делает холеру намного быстрее других бактерий? Одна из возможностей — сама оболочка может обеспечивать смазку. Структура жгутика предполагает, что он вращается независимо от внешнего чехла. Поскольку чехол гидрофильный, это может создавать скользкую систему, которая помогает бактерии двигаться в жидкости быстрее.

Выяснение того, как работают жгутики, потребует дополнительных исследований, которые теперь можно проводить благодаря этим изображениям и разработанным методикам, говорит Лю. Эта работа также может заложить основу для новых препаратов против холеры — либо нацеленных на жгутики, либо использующих эти высокодетальные изображения для поиска других способов атаки на болезнь.

«Мы, по крайней мере, дали некоторые подсказки для следующего этапа разработки», — говорит Лю.