Бактериальные клетки имеют дополнительный слой защиты, называемый клеточной стенкой, которого нет у клеток животных. Сборка этой прочной брони включает в себя несколько шагов, некоторые из которых нацелены на антибиотики, такие как пенициллин и ванкомицин.
Тем не менее, один шаг в этом процессе остался загадкой, поскольку молекулярная структура задействованных белков не была известна.
Исследователи из Университета Дьюка представили первый крупный план белка под названием MurJ, который имеет решающее значение для построения клеточной стенки бактерий и защиты ее от внешних атак. Они опубликовали молекулярную структуру MurJ 26 декабря в Nature Structural and Molecular Biology.
Исследователи антибиотиков остро нуждаются в более глубоком понимании строения клеточной стенки для разработки новых антибиотиков в условиях растущей устойчивости к антибиотикам. Только в США устойчивая к антибиотикам инфекция под названием MRSA вызывает почти 12 000 смертей в год.
«До сих пор механизмы MurJ были чем-то вроде «черного ящика» в синтезе клеточной стенки бактерий из-за технических трудностей при изучении белка», - сказал старший автор Seok-Yong Lee, Ph. D., доцент. биохимии в Медицинской школе Университета Дьюка. «Наше исследование может дать представление о разработке антибиотиков широкого спектра действия, потому что почти каждый тип бактерий нуждается в действии этого белка».
Клеточная стенка бактерии состоит из жесткого сетчатого материала, называемого пептидогликаном. Молекулы для производства пептидогликана производятся внутри клетки, а затем их необходимо транспортировать через клеточную мембрану для построения внешней стенки.
В 2014 году другая группа ученых обнаружила, что MurJ является транспортным белком, расположенным в клеточной мембране, который отвечает за переворачивание этих строительных блоков через мембрану. Без MurJ предшественники пептидогликана накапливаются внутри клетки, и бактерия распадается.
Многие группы безуспешно пытались разгадать структуру MurJ, отчасти потому, что с мембранными белками очень трудно работать.
В новом исследовании команда Ли смогла кристаллизовать MurJ и определить его молекулярную структуру с разрешением в 2 ангстрема с помощью известного метода, называемого рентгеновской кристаллографией, чего трудно достичь в мембранном белке.
Структура в сочетании с последующими экспериментами, в которых ученые мутировали определенные остатки MurJ, позволили им предложить модель того, как он переворачивает предшественники пептидогликана через мембрану.
После определения первой структуры MurJ команда Ли теперь работает над захватом MurJ в действии, возможно, путем кристаллизации белка, когда он связан с предшественником пептидогликана.
«Связывание структуры MurJ с его субстратом будет ключевым моментом. Это действительно поможет нам понять, как работает этот транспортер и как разработать ингибитор, нацеленный на этот транспортер», - сказал Ли.
Группа Ли продолжает изучение структуры и функций других ключевых участников процесса биосинтеза клеточной стенки бактерий. В прошлом году они опубликовали структуру другого важного фермента, MraY, связанного с антибактериальным мураймицином.
Исследование было поддержано стартап-фондами Университета Дьюка.