Вчені уточнили 3D-структуру бактеріальної «машини смерті»

Дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту опублікували тривимірну структуру мембранного білкового комплексу бактерії, який бере участь у транспорті назовні токсинів і генів стійкості до антибіотиків. Структура такого комплексу була вперше дозволена, тобто безпосередньо в мембрані бактерії. Стаття вийшла в журналі.

Грам-негативні бактерії, до яких належить і легіонела, оточені подвійною мембраною, тому для того, щоб транспортувати через неї що-небудь у зовнішнє середовище, вони обзавелися складним апаратом секреції. Системи секреції представляють з себе багатосуб'єдинічні наномашини, які з витратою енергії можуть викидати в навколишнє середовище досить великі молекули, такі як білки і ДНК. Патогенні бактерії використовують їх для транспорту назовні токсинів і різних білків, що допомагають їм паразитувати на господарі. Також системи секреції використовуються для горизонтального перенесення генів, тобто обміну ДНК. Поширення стійкості до антибіотиків відбувається саме таким шляхом. Виділяють шість типів систем секреції, і найбільш багатофункціональною з них є система секреції типу IV, що включає в себе кілька підтипів білкових комплексів.

Легіонелла, яка послужила модельним об'єктом у цьому дослідженні, є патогенною бактерією і викликає важкий різновид запалення легенів (легіонельоз, або хвороба легіонерів). Вона живе в клітинах імунної системи, і для того, щоб успішно паразитувати, виділяє всередину господарської клітини близько трьохсот різних білкових молекул. Для цього легіонелла використовує комплекс Dot/Icm, що є різновидом системи секреції IVB підтипу. За відсутності комплексу бактерія перестає бути патогенною. Можливо, інгібітори систем секреції були б перспективним класом антибіотиків, запобігаючи викиду бактеріями факторів вірулентності та обмін генами стійкості до антибіотиків, але для їх ефективної розробки недостатньо даних про механізм роботи цих систем і їх структуру. У 2014 році в журналі була опублікована реконструйована з окремих білків структура подібного комплексу кишкової палички, але в новій статті дослідникам з Калтеха вдалося дослідити секреторний апарат безпосередньо в мембрані бактерії. Для цього автори скористалися методом електронної кріотомографії. Безліч почесних знімків мембран заморожених бактерій, отриманих з використанням електронної мікроскопії, об'єднали за допомогою програмного забезпечення. В результаті обробки зображень 386 частинок вийшла усереднена томограма комплексу, дозвіл якої автори оцінили як 2,5-4,5 нанометра. Такий дозвіл цілком дозволяє оцінити загальну структуру комплексу і його розташування в мембрані. Щоб переконатися, що дозволений саме комплекс Dot/Icm, вчені порівняли знімки «диких» бактерій і позбавлених комплексу, в мембрані яких подібних структур не спостерігалося.

Отриману в роботі тривимірну модель секреторного апарату легіонели автори роботи порівняли з нещодавно опублікованою моделлю комплексу cag іншої патогенної бактерії, який належить до підтипу IVA (ця модель була побудована на основі реконструйованого комплексу, тобто). Незважаючи на відсутність схожості в послідовностях ДНК, що кодують суб'єдиниці комплексів, вони виявилися досить схожі за тривимірною структурою.

Спільність механізмів, що визначають патогенність у різних бактерій, означає, що їх, ймовірно, можна універсальним способом заблокувати. Серед існуючих класів антибіотиків поки немає препаратів, що переважають секреторний апарат бактерій, хоча в пошуках нових способів боротьби з ними вчені взялися навіть за кленовий сироп.