Бактерии должны остерегаться амебы. На них охотятся голодные амебы: они ловят их своими псевдоподиями, а затем поглощают и переваривают.
Однако некоторые бактерии умеют защищаться. Одним из таких является Amoebophilus, который был обнаружен исследователями Венского университета несколько лет назад. Эта бактерия может не только выжить внутри амебы, но и процветать: амеба стала ее излюбленной средой обитания.
Вместе с венскими первооткрывателями бактерии ученые из ETH Zurich обнаружили механизм, который, по их мнению, имеет решающее значение для выживания Amoebophilus внутри амебы. У бактерии есть устройства для стрельбы микрокинжалами. Он может использовать кинжалы, чтобы проткнуть амебу изнутри и, таким образом, избежать пищеварения.
Вырваться из чрева амебы
Стреляющий механизм состоит из оболочки, прикрепленной к внутренней мембране бактерии базовой пластиной и анкерной платформой. Жоао Медейрос, аспирант группы профессора Мартина Пилхофера в ETH, объясняет механизм: «Оболочка подпружинена, и микрокинжал лежит внутри нее. Когда оболочка сжимается, кинжал очень быстро выбрасывается наружу через бактериальную мембрану.."
Бактерии, поглощенные амебой, попадают в специальный пищеварительный отдел, окруженный мембраной. «Наши результаты показывают, что бактерии способны вонзать кинжал в мембрану пищеварительного отдела амебы», - говорит Дезире Бёк, также докторант группы Пилхофера и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Science. Это приводит к разрушению компартмента, который является негостеприимной средой для бактерий, и высвобождению бактерий. Оказавшись вне пищеварительного отдела, но все еще внутри амебы, бактерии могут выживать и даже размножаться.
Процесс разрушения пищеварительного отдела еще не известен. «Возможно, разрыв мембраны происходит исключительно по механическим причинам», - говорит Пилхофер. Однако не исключено, что кинжалы бактерий Amoebophilus пропитаны чем-то вроде яда для стрел - мембраноразрушающими ферментами. Чертежи таких ферментов содержатся в геноме бактерий, как смогли показать Маттиас Хорн, профессор Венского университета, и его коллеги.
Точное фрезерование
Ученые применили совершенно новый метод, используемый лишь несколькими исследовательскими лабораториями по всему миру, включая лабораторию Pilhofer, для определения трехмерной структуры кинжалов и их стреляющих механизмов с высоким разрешением. Бёк заморозил амеб после того, как они поглотили бактерии, при температуре минус 180°C.
Во многом подобно палеонтологу, использующему молоток и долото для отделения окаменелостей от камня, Медейрос затем использовал сфокусированный ионный луч в качестве «нано-долота» для работы с замороженными образцами. С впечатляющей точностью он смог размолоть амебу и большую часть бактерии, выкопав молекулярные кинжалы и их стреляющие устройства, чтобы, наконец, получить трехмерную электронную томограмму..
Первое изображение всей конструкции
Системы, связанные с микрокинжалами, встречаются и в других областях биологии: вирусы, специализирующиеся на заражении бактерий (бактериофаги), используют такие системы для внедрения своего генома в микроорганизмы. Некоторые бактерии могут даже выпускать подобные микроустройства в окружающую среду для борьбы с конкурирующими микроорганизмами.
Ученые впервые представляют полную пространственную структуру стреляющего механизма внутри клетки в ее естественном контексте. Они также впервые показывают детали опорной плиты и мембранного анкера. «В прошлом клеточные биологи исследовали функции таких систем, а структурные биологи выясняли структуру отдельных компонентов», - говорит Пилхофер. «Благодаря технологиям криофокусированного ионно-лучевого измельчения и электронной криотомографии, которые мы внедрили в ETH Zurich, мы теперь можем сократить разрыв между клеточной биологией и структурной биологией».
Многоствольные ружья
Микрокинжалы ранее встречались только как отдельные устройства. Однако у Amoebophilus ученые из Цюриха и Вены обнаружили устройства, которые встречаются группами до 30 штук. «Можно назвать их многоствольными ружьями», - говорит Пилхофер.
Исследователи также использовали геномные сравнения, чтобы выяснить, как амебофилы развили свои кинжалы. «Соответствующие гены очень похожи на гены инъекционных систем бактериофагов», - говорит Пилхофер.«Мы предполагаем, что гены предков сегодняшних бактериофагов давно утвердились в геноме бактерий».
Также присутствует в других бактериях
Геномные сравнения показывают, что микрокинжалы встречаются не только у Amoebophilus, но и у многих других видов бактерий, по крайней мере, из девяти наиболее важных групп бактерий. Исследователям еще предстоит выяснить, используют ли эти бактерии свои кинжалы, чтобы избежать переваривания амебами, или кинжалы служат совсем другим целям. Их работа отрезана надолго.
Наконец, ученые хотели бы использовать новый метод измельчения криофокусированного ионного пучка для выяснения структуры других сложных молекулярных систем. «Эта методика может помочь в решении многих других вопросов клеточной, инфекционной и структурной биологии. Мы уже работаем с другими исследовательскими группами и предлагаем им наш опыт», - говорит Медейрос.