Неожиданная находка в исследовании почвенных бактерий может ускорить поиск новых антибиотиков

Исследователи из Johns Hopkins Medicine, изучая бактерии из пресноводных озёр и почвы, обнаружили «удивительную» ключевую роль белка в поддержании формы бактериальной клетки. Поскольку целостность клеточной оболочки критически важна для выживания бактерии, это открытие может помочь в разработке новых и более эффективных антибиотиков.

Исследование, опубликованное 15 августа в журнале mBio, показывает, что потеря белка OpgH у широко изучаемой бактерии Caulobacter crescentus запускает каскад процессов, нарушающих пузыревидную клеточную оболочку, что приводит к гибели клетки.

OpgH — это фермент, который создаёт содержащие глюкозу молекулы — осморегулируемые периплазматические глюканы (OPGs). Эти молекулы заполняют гелеобразное пространство внутри защитной клеточной оболочки.

«В наших экспериментах, когда мы избавляемся от белка OpgH у бактерий Caulobacter, что останавливает производство молекул сахара OPG, бактерии не могут выжить», — говорит старший автор исследования Эрин Гоули.

Хотя сами бактерии Caulobacter crescentus обычно не считаются патогенными, OPGs, в изобилии встречающиеся у грамотрицательных бактерий (имеющих замкнутую оболочку), играют роль в устойчивости к антибиотикам и развитии заболеваний.

Поэтому лучшее понимание роли этих молекул сахара у грамотрицательных бактерий, включая Caulobacter, рассматривается как путь к созданию новых лекарств, нацеленных на патогенные бактерии, содержащие OPG, такие как Brucella, Pseudomonas, Salmonella и E. coli.

«Если белки, которые создают или модифицируют эти молекулы сахара, действительно необходимы для выживания бактерий, они могут стать хорошими мишенями для самих антибиотиков», — отмечает Гоули. — «Или, в организмах, где OPG не являются жизненно важными, препарат, нацеленный на часть пути синтеза OPG, может повысить чувствительность клеток к существующим антибиотикам».

В этом исследовании учёные использовали молекулярный инструмент — индуцибельный промотор, — чтобы снизить количество белка OpgH у Caulobacter и наблюдать за эффектами на форму клетки. Они также изучили, как потеря OpgH влияет на сигнальный путь CenKR, который выявляет и устраняет проблемы в клеточной оболочке.

Кроме того, они манипулировали клеткой, чтобы она производила слишком много белка CenR, тем самым гиперактивируя путь CenKR, отвечающий за регуляцию формы клеточной оболочки.

После манипуляций с уровнями белков OpgH или CenR учёные помещали бактериальные клетки на гелевую подложку, чтобы обездвижить их, и наблюдали за их формой и активностью с помощью специализированного микроскопа.

«Мы обнаружили, что клетки деформировались, когда мы снижали уровень белка OpgH (и останавливали производство молекул сахара OPG) или гиперактивировали сигнальный путь CenKR», — говорит Гоули. — «Молекулярные игроки, которые помогают клетке расти и сохранять форму, оказывались не на своих местах. Это говорит о том, что OpgH и CenR необходимы для поддержания формы клетки».

Как только клеточная оболочка теряет свою форму, все бактерии в конечном итоге разрываются и погибают.

«Мы создали модель того, как истощение OPG или активация сигнального пути влияет на форму клетки и её рост», — говорит Гоули.

Хотя характеристика роли молекул сахара в структуре клетки Caulobacter — важный первый шаг, Гоули предостерегает, что «потребуется время, чтобы получить полную картину того, как они функционируют у разных видов грамотрицательных бактерий».

У Caulobacter молекулы сахара напоминают замкнутые кольца, а у E. coli они похожи на деревья с ответвлениями от цепочечных структур. Понимание их формы и всех связанных с ними модификаций может помочь исследователям охарактеризовать клеточную оболочку.

«На следующем этапе исследований мы надеемся изучить все ферменты, которые создают, модифицируют и расщепляют эти молекулы, — чтобы получить полную картину их метаболизма и того, как они поддерживают клеточную оболочку», — говорит Гоули. — «Как только мы поймем, как функционируют эти ферменты, это будет отлично, потому что именно они могут стать мишенями для лекарств».