Бактерицидная наномашина: механизмы естественного убийцы бактерий
Ученые приблизились к адаптации бактерицидной силы естественной наномашины — крошечной частицы, выполняющей механическое действие.
В исследовании, опубликованном в Nature, группа ученых под руководством UCLA описала, как наномашина распознает и убивает бактерии, и представила ее изображение с атомарным разрешением. Исследователи также создали собственные версии наномашины, что позволило получить варианты, работающие иначе, чем природный аналог.
Эта работа может привести к созданию новых типов антибиотиков, способных нацеливаться на конкретные виды микробов. Такие препараты могут иметь преимущества перед обычными антибиотиками: снижать вероятность развития резистентности у бактерий, уничтожать вредные клетки, не затрагивая полезные бактерии микробиома кишечника, а также использоваться для профилактики инфекций, уничтожения патогенов в пище и управления человеческим микробиомом.
Изучаемая частица, R-тип пиоцина, — это белковый комплекс, который выделяет бактерия Pseudomonas aeruginosa для саботажа конкурирующих микробов. Обнаружив бактерию-соперника, пиоцин убивает ее, пробивая отверстие в клеточной мембране. P. aeruginosa, часто вызывающая внутрибольничные инфекции, встречается в почве, воде и свежих продуктах.
Наблюдение молекулярной структуры пиоцина — в конфигурациях до и после "пробивания" — позволило ученым понять механизмы распознавания добычи и нанесения смертельного удара.
Исследование относится к биоинспирированной инженерии. Его результаты могут способствовать разработке целевых антибиотиков на основе пиоцина.
"Если бы вы попытались создать пиоцин с нуля, у вас вряд ли получилось. У природы стоит учиться, ведь она развивала и тестировала эти системы миллиарды лет. Это поможет нам с инженерной точки зрения", — сказал соавтор работы З. Хонг Чжоу.
Ученые использовали две технологии визуализации: рентгеновскую кристаллографию и криоэлектронную микроскопию. Прогресс в последней, включая применение высокоскоростных камер, напрямую детектирующих электроны, позволил получить более детальные изображения.
Пиоцины — это элегантные и специфичные машины-убийцы. Ранее была описана их общая структура. Основная часть пиоцина — цилиндрический "ствол", состоящий из внешней оболочки, окружающей внутреннюю трубку (ей и производится прокол). В основании — базальная пластинка с шестью выступающими "щупальцами". При встрече с бактериальной клеткой пиоцин приземляется на нее, и "щупальца" связываются со специфическими структурами на поверхности клетки.
В новой работе впервые описан шестиспиральный "воротничок" в верхней части "ствола", который соединяет оболочку и внутреннюю трубку и важен для передачи энергии в процессе активации пиоцина.
Также впервые детально описан механический процесс активации:
- Когда не менее трех из шести "щупальцев" связываются с поверхностью бактериальной клетки, пиоцин распознает ее как конкретную цель.
- "Щупальца" закрепляют пиоцин на клетке и заставляют базальную пластинку раскрыться.
- Это, в свою очередь, вызывает схлопывание внешней оболочки, которое толкает внутреннюю трубку вниз и вдоль поверхности клетки-мишени.
Помимо самого прокола, внутренняя трубка истощает энергию бактериальной клетки, что приводит к ее гибели.
"Это механическая система, тонко настроенная на то, чтобы совместить специфическое распознавание цели с нанесением смертельного удара. Понимание ее устройства и контроля активности может быть использовано для создания новых видов наномашин", — сказал соавтор работы Джефф Ф. Миллер.
Используя методы молекулярной биологии для изменения ДНК P. aeruginosa, исследователи создали варианты пиоцина. Среди них были версии с триггером, более или менее чувствительным к структурам на поверхности бактерий-целей и к условиям среды. Например, некоторые модификации позволили преодолеть уязвимость наномашины к кислой среде. В природе пиоцин автоматически активируется при pH 3,4 (примерно как у квашеной капусты), но у инженерных версий при таком pH активировалось меньше частиц.
Возможность настраивать чувствительность триггера важна для потенциальных антибиотиков:
- При тяжелой системной инфекции можно использовать "более свободный" триггер.
- Для целевого воздействия на инфекции кишечника без ущерба для микробиома подойдет "более разборчивый" триггер.
В исследовании участвовал ученый из стартапа Pylum Biosciences, сооснователем которого является Миллер. Компания разрабатывает терапии на основе пиоцинов, которые атакуют только определенные виды бактерий, преодолевают резистентность и не вредят полезным микробам. Одна такая терапия, узко нацеленная на бактерию, вызывающую колит, прошла лабораторные и доклинические испытания на животных; планируются клинические испытания на людях.