Бактерия Shigella использует физическую силу «эндоцитоза» в мембране клеток
Бактерии, вызывающие кишечное заболевание шигеллёз, используют токсин, который эксплуатирует физическую силу в мембране клеток. Хотя её трудно заблокировать, с ней можно бороться наночастицами, использующими ту же силу.
Новое исследование, совместно проведённое EPFL, сообщает об открытии ранее неизвестного пути заражения, который используют бактерии, вызывающие шигеллёз. В новом механизме бактерии Shigella используют общую силу, создаваемую флуктуациями собственной плазматической мембраны клетки. Работа опубликована в ACS Nano.
Исследование провели Джон Ипсен из Университета Южной Дании, Людгер Йоханнес из Института Кюри во Франции и Джулиан Шиллкок из EPFL.
Обычно клетки строго регулируют попадание чужеродного материала. Патогены, такие как бактерии и вирусы, эволюционировали различные механизмы для преодоления барьеров. Один из регулярных способов, которым клетки поглощают крупные молекулы, называется «эндоцитоз».
Учёные использовали различные везикулярные системы и компьютерное моделирование для изучения механизма бактериального вторжения, который, по-видимому, обладает уникальными свойствами. Его используют, среди прочих, бактерии, производящие небольшой жёсткий белок — токсин Шига.
Исследование показало, что частицы токсина Шига плотно связываются с определёнными липидами (жирами) на поверхности мембраны клетки-мишени. Затем они начинают формировать кластеры, которые заставляют мембрану изгибаться внутрь, создавая трубчатые инвагинации, через которые частицы токсина попадают в клетку. Попав внутрь, токсины Шига изменяют генетический механизм клетки, и начинается инфекция.
Ключевое открытие заключалось в том, что токсин фактически использует общую физическую силу в мембране клетки для создания инвагинаций. Это так называемая «сила Казимира», впервые описанная как теоретическая сила, действующая между двумя заряженными параллельными проводящими поверхностями.
В биологическом контексте считается, что сила Казимира действует между мембраносвязанными белками в клетках, существует на всех жидких биологических клеточных мембранах и возникает только тогда, когда патоген плотно связывается с поверхностью мембраны.
Исследователи предполагают, что бактерии Shigella и другие патогены эволюционировали, чтобы использовать силу Казимира, возникающую из-за флуктуирующей плазматической мембраны, для заражения клеток. Кроме того, поскольку липиды, с которыми связывается токсин, используются клеткой для её собственных операций, токсин Шига нельзя заблокировать от проникновения, не нарушив нормальные функции клетки.
Наночастицы для доставки лекарств
Поскольку считается, что сила Казимира возникает для любых плотно связанных наночастиц на поверхности клеточной мембраны, существует потенциал для создания нового пути доставки лекарств на основе наночастиц.
- Сначала необходимо плотно связать наночастицы с поверхностью клетки, где они будут кластеризоваться.
- Затем наночастицы должны также слегка увеличить кривизну клеточной мембраны, чтобы использовать силу Казимира и проникнуть в клетку.
Попав внутрь, они могут начать вносить полезные, защитные изменения в поведение клетки.
«Туда, куда природа привела в разработке средств заражения клеток патогенами, могут последовать искусственные наночастицы для лечения клеточных дисфункций», — говорит Джулиан Шиллкок.