Как вирусы заражают бактерии: история о хвосте

Бактериофаги — это вирусы, заражающие бактерии. Учёные из EPFL с помощью современных инструментов описали состоящий из миллиона атомов «хвост», который фаги используют для прорыва бактериальных поверхностей. Это открытие имеет большое значение для науки и медицины, поскольку бактериофаги широко используются в исследованиях.

Для заражения большинство бактериофагов используют «хвост», который прокалывает мембрану бактерии, чтобы пропустить генетический материал вируса. Самые сложные хвосты состоят из сокращающегося чехла, окружающего трубку, подобную растянутой наноразмерной пружине. Когда вирус прикрепляется к поверхности бактерии, чехол сокращается и проталкивает трубку сквозь неё. Всё это контролируется структурой базовой пластины (baseplate) на конце хвоста, состоящей из миллиона атомов. Учёные EPFL показали в атомных деталях, как базовая пластина координирует прикрепление вируса к бактерии с сокращением чехла хвоста. Прорыв попал на обложку журнала Nature.

Фаги широко распространены на планете. Они сопровождают бактерии повсюду — в почве, воде, горячих источниках, цветении водорослей, кишечнике животных и т.д. — и оказывают драматическое влияние на разнообразие бактериальных популяций, включая, например, микробиом кишечника человека. Фаги также являются незаменимыми инструментами в генетике и молекулярной биологии и даже разрабатываются как альтернатива антибиотикам. Однако механизмы, с помощью которых эти вирусы прикрепляются к клеткам-хозяевам и доставляют свой генетический материал, остаются плохо изученными.

Лаборатория Петра Леймана в EPFL создала детальную атомарную модель трансформации базовой пластины фага — важной структуры, которая контролирует способность фага находить свою бактерию-мишень, прикрепляться к ней, сокращать хвост и впрыскивать свою ДНК. Весь комплекс базовая пластина–хвост–трубка состоит из одного миллиона атомов, образующих 145 цепей 15 различных белков, большинство из которых пришлось моделировать с нуля. Для этого лаборатория Леймана использовала современное оборудование Центра клеточной визуализации и наноанализа (C-CINA) Базельского университета и вычислительные ресурсы отдела высокопроизводительных вычислений EPFL.

Учёные также смогли идентифицировать минимальный набор молекулярных компонентов в базовой пластине, которые работают вместе, как миниатюрные шестерёнки, контролируя активность хвоста вируса. Эти компоненты и лежащий в их основе функциональный механизм одинаковы для многих вирусов и даже бактерий, которые используют похожие хвостоподобные структуры для впрыскивания токсинов в соседние клетки.

«Эти выводы важны для нашего понимания того, как работают эти сокращающиеся хвостоподобные системы, — говорит Лейман. — Но они также устанавливают ориентир для сложности биологических систем, которые можно описать на атомном уровне». Тело человека содержит почти столько же бактерий, сколько и человеческих клеток (30–40 триллионов), и микробиота кишечника человека, вероятно, станет важной мишенью для персонализированной медицины в будущем. «Понятно, что нам необходимо понять детальные механизмы, с помощью которых эти бактерии взаимодействуют друг с другом и как фаги участвуют в этих взаимодействиях».