Соскребая трубчатых червей со дна лодок в гавани Сан-Диего для их изучения, исследователи из Университета штата Сан-Диего обнаружили, что полезная бактерия, которая помогает им в создании колоний, также может быть благом для здоровья человека, потому что те же самые этот процесс может уже происходить в кишечнике человека.
Изучая эту бактерию, вызывающую метаморфоз скромного трубчатого червя, морские микробиологи из SDSU обнаружили, что создаваемые ею наноразмерные шприцеподобные структуры, прозванные Звездой Смерти за эффект, который они оказывают, могут быть использованы в будущее для доставки новых терапевтических средств или вакцин к клеткам-мишеням и тканям человека.
Трубчатые черви (Hydroides elegans) - это крошечные морские существа с твердым панцирем, которые доставляют много хлопот и причиняют материальный ущерб владельцам лодок и судов. Они прилипают к днищу лодок и образуют слои корки толщиной в дюйм, а также привлекают других беспозвоночных, таких как ракушки, которые затем формируются на них. Это так называемое «биообрастание» приводит к увеличению веса и увеличению расхода топлива. Таким образом, все, от ВМС США до судостроительной и судостроительной промышленности, заинтересованы в том, чтобы узнать, как они это делают и что можно сделать, чтобы этого не произошло.
Морские исследования привели к значительным открытиям
Николас Шикума из SDSU в течение нескольких лет изучает трубчатых червей со студентами в своей лаборатории, чтобы точно понять, почему их тянет в определенные места в океане, где они создают колонии.
Предыдущие исследования показали, что, как и коралловые рифы, морские ежи и асцидии, трубчатые черви также нуждаются в благоприятной среде для размножения, поэтому они обычно тяготеют к районам со здоровыми популяциями бактерий, таких как Pseudo alteromonas, полезных бактерий. Шикума обнаружил, что бактерия имеет ассоциированные с метаморфозом сократительные структуры (MAC) - структуры, похожие на шприцы, которые вводят содержимое в личинки трубчатых червей, помогая превратить их в ювенильных червей.
Чего он и его коллеги-ученые не знали, так это того, вводили ли MAC биохимические вещества в трубчатых червей, чтобы вызвать метаморфоз и прилипнуть к корпусам лодок. Лаборатория Шикумы использовала криоэлектронную томографию для изучения структур и обнаружила массивы инъекционных систем в форме звезды смерти, которые выделяют бактерии.
Они обнаружили, что структуры шприца содержат новый эффекторный белок, Mif1, который регулирует биологическую активность хозяина трубчатого червя, и именно этот белок отвечает за метаморфоз.
«Многие патогены производят эти шприцевые структуры, которые обычно вызывают заболевания», - сказал Шикума. «Но мы впервые обнаружили бактерии, которые используют шприц в симбиотических целях».
Воровство шприцев у фагов, но за благое дело
MAC напоминают аналогичные шприцевые структуры, встречающиеся у бактериофагов - вирусов, поражающих бактерии, - и в ходе эволюции бактерии «украли» эту структуру у фагов и нашли ей хорошее применение.
«Фаг обычно атакует бактерии с помощью этих структур, но вместо того, чтобы использовать его для заражения других бактерий, Pseudo alteromonas теперь использует его для взаимодействия с другими животными, такими как трубчатые черви, насекомые и мышиные клетки», - сказал Шикума.
"MAC создаются, когда бактерии подвергаются лизису клеток - когда клетки взрываются - и бактерии, которые делают это, впоследствии умирают, так что это почти похоже на альтруизм, потому что приносит пользу остальной популяции бактерий."
Не каждая бактерия в этом штамме производит МАК, только примерно одна из 50 делает это, но, поскольку мы можем производить триллионы этих бактерий, поставка не будет проблемой, и большее их количество может быть сконструировано для производства МАК., объяснил он.
Выводы будут опубликованы 17 сентября в журнале eLife и последуют за недавней публикацией лаборатории Шикумы, опубликованной в Cell Reports в июне этого года, в которой рассматривается, как эта бактерия взаимодействует in vitro с насекомыми и клетки мыши. В этой статье показано, как можно модифицировать микроскопические конструкции шприцев с полезными нагрузками, которые потенциально могут нести терапевтические средства или вакцины.
Шикума получил предварительный патент на выводы обеих статей об использовании MAC для доставки модифицированных белков. В качестве следующего шага текущие исследования в его лаборатории включают сбор данных из проекта «Микробиом человека», чтобы выяснить, есть ли у нас, людей, такая же структура бактериального шприца в наших кишках, которую можно использовать для лечения.
Шикума и его команда аспирантов, включая Чарльза Эриксона, Жизель Кавальканти и Кайла Мальтера, работали совместно с Робертом Зеллером, биологом SDSU, и микробиологами Дайанн Ньюман из Калифорнийского технологического института и Мартином Пилхофером. в ETH Zurich (Швейцария).