Бактерии разработали различные стратегии для заражения организмов и использования их в качестве источников питательных веществ. Многие микробы используют токсины, которые разрушают мембраны, просто проникая сквозь внешнюю оболочку клеток. Болезнетворные для человека бактерии, такие как чумная бактерия Yersinia pestis или другие бактерии из семейства сальмонелл, выработали гораздо более тонкий механизм: они впрыскивают свой яд, применяя специальный комплекс токсинов.
Группа исследователей под руководством Стефана Раунсера из Института молекулярной физиологии им. Макса Планка в Дортмунде смогла полностью раскрыть сложный механизм на примере бактерии Photorhabdus luminescens.
Бактериальные токсины являются одними из самых эффективных природных ядов. К сильнейшим токсинам относятся, например, столбнячный и ботулинический токсины (ботокс), уже токсичные, когда вводится всего тысячная доля грамма. Бактерии разработали самые разнообразные стратегии и механизмы для введения своих ядов в организмы. Бактерия Photorhabdus luminescens, чумная бактерия Yersinia pestis, а также микробы семейства сальмонелл используют так называемые Тс-токсины, состоящие из нескольких компонентов (ТсА, ТсВ, ТсС). До недавнего времени было неясно, как эти субъединицы работают вместе.
В большинстве случаев большие биомолекулы, такие как сложные бактериальные токсины, невозможно структурно проанализировать с помощью традиционной рентгеновской кристаллографии, потому что они не могут быть преобразованы в требуемое кристаллическое состояние. Однако криоэлектронная микроскопия не требует кристаллизации образцов. Визуализация даже больших комплексов становится возможной, если чрезвычайно быстро их заморозить и исследовать непосредственно под микроскопом при температуре минус 196 градусов. Используя крио-ЭМ, команда Стефана Раунсера впервые смогла определить трехмерную структуру токсина Photorhabdus luminescens с почти атомарными подробностями. Структуры показали, что самая крупная субъединица ядовитого комплекса, TcA, напоминает колокол, состоящий из канала, окруженного оболочкой. Верхняя часть колокольчика связывает ядовитую капсулу, образованную субъединицами ТсВ и ТсС. Рецепторы на клеточной мембране распознают нижнюю часть колокола, и загруженный комплекс яда связывается.
При изменении значения pH окружающей среды внешняя оболочка токсина открывается, открывая канал. Белковая цепочка, находящаяся под высоким давлением, затем отскакивает и проталкивает канал через клеточную мембрану подобно игле шприца, вводящего яд. Последний представляет собой фермент, который катализирует слипание цитоскелета, что приводит к гибели клетки.
Молекулярный привратник
Ученым все еще не хватало одной последней детали, чтобы полностью понять, как происходит введение яда. Им нужно было выяснить, как управляется это устройство. Команда из Дортмунда добилась этого в сотрудничестве с исследовательской группой Манаджит Хайер-Хартл из Института биохимии Макса Планка в Мартинсриде. Новые исследования были сосредоточены на небольшой структуре шпильки, также называемой «привратником». Это контролирует яд, выходящий в направлении канала субъединицы TcA - ворота, которые напоминают пропеллер с шестью лопастями. Когда капсула соединяется с каналом, эта пограничная область реструктурируется: привратник отвинчивается от центра пропеллера и открывает центральное отверстие, которое теперь точно соединяется с каналом субъединицы TcA. Ученым также удалось продемонстрировать, что присутствие фермента в ядовитой капсуле необходимо для образования всего токсинного комплекса. Это указывает на возможный механизм контроля, который гарантирует, что субъединица TcA заряжается исключительно полностью загруженными ядовитыми капсулами.
Даже сегодня бактериальные инфекции остаются одной из наиболее частых причин заболеваний с тяжелым течением (напр.грамм. сепсис). Интенсивное использование антибиотиков привело к развитию фатальной резистентности, что значительно затруднило победу в битве с патогенными для человека бактериями. Раскрытие механизмов бактериальной инфекции поможет лучше понять механизм действия патогенных для человека бактерий. Новое понимание необычного механизма введения Тс-токсина может послужить отправной точкой для разработки инновационных терапевтических подходов.