И людям, и многим другим существам для выживания нужен кислород. При преобразовании питательных веществ в энергию кислород превращается в воду, за что отвечает фермент оксидаза. Он представляет собой последнюю ступень так называемой дыхательной цепи.
В то время как у людей есть только один тип этих оксидаз, у бактериального модельного организма Escherichia coli (E. coli) есть три альтернативных фермента. Чтобы лучше понять, почему E. coli и другим бактериям нужны множественные оксидазы, профессор Беттина Бёттхер из Центра Рудольфа Вирхова в сотрудничестве с проф. Thorsten Friedrich (Университет Фрайбурга) определили молекулярную структуру цитохром bd оксидазы E. coli. Этот тип оксидазы встречается только у бактерий и микробных архей.
У бактерий есть другие типы оксидазы
Одноименные цитохромы, два типа b и один типа d, являются ключевыми железосодержащими группами, которые обеспечивают функцию оксидазы. В цитохроме d кислород связывается и превращается в воду. Определение структуры показало, что архитектура цитохром-bd-оксидазы E. coli очень похожа на структуру другой бактерии, Geobacillus thermodenitrificans. «Однако, к нашему большому удивлению, мы обнаружили, что цитохром b и цитохром d изменили положение и, следовательно, место превращения кислорода в ферменте», - сообщает профессор Торстен Фридрих.
Причина этого изменения может заключаться в том, что цитохром bd оксидаза может выполнять вторую функцию: помимо выработки энергии, она может служить для защиты от окислительного стресса и стресса, вызванного нитроксидами. Особо патогенные штаммы бактерий проявляют высокую активность цитохром bd оксидазы. Поскольку у людей нет этого типа оксидазы, эти результаты могут, кроме того, дать важные указания на разработку новых противомикробных препаратов, нацеленных на цитохром bd-оксидазу патогенов, таких как микобактерии..
Важным для этого успеха был новый высокопроизводительный электронный микроскоп, который работает с 2018 года под руководством профессора Бёттхера в Центре Рудольфа Вирхова. «Цитохром bd оксидаза была сложным образцом для криоэлектронной микроскопии, потому что это один из самых маленьких мембранных белков, структура которого была определена с помощью этого метода», - объясняет профессор Беттина Бёттхер.
Особенностью этой методики являются чрезвычайно низкие температуры до минус 180 градусов по Цельсию и разрешение, которое движется в порядке атомов. Он позволяет исследовать биологические молекулы и комплексы в растворе, предварительно подвергнутые быстрой заморозке, и реконструировать их трехмерную структуру. При напряжении 300 000 вольт микроскоп ускоряет электроны, с помощью которых он «сканирует» образцы.