Каждый раз, когда мы используем наши смартфоны для проверки социальных сетей, мы сталкиваемся с множеством бактерий на устройствах - даже больше, чем на сиденьях унитазов, согласно исследованию Университета Аризоны. Эти бактерии могут иметь свою собственную форму социальной сети, которая, подобно Facebook, позволяет одноклеточным существам притягивать и отталкивать друг друга.
Это понимание проистекает из нового исследования ученых Министерства энергетики США (DOE), которые определили молекулярные структуры узкоспециализированного набора белков. Эти белки используются штаммом бактерий E. coli для общения и защиты своей территории.
Работа может привести к новым биомедицинским стратегиям борьбы с патогенными бактериями, вызывающими инфекционные заболевания, такие как пневмония и пищевые отравления. Это последнее достижение группы ученых из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики; Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB); и Калифорнийский университет в Ирвине.
Работа основана на открытии, сделанном в 2005 году исследователями UCSB, о том, что бактерии производят токсичные белки, которые они могут передавать своим соседям через прямой контакт, чтобы либо убить их, либо контролировать их, возможно, чтобы получить лучший доступ к питательным веществам. Это проявляется только в густонаселенных микробных сообществах посредством процесса, называемого контактно-зависимым ингибированием роста (CDI).
«Мы в основном изучаем, как бактерии взаимодействуют и общаются», - сказал Анджей Йоахимиак, заслуженный ученый Аргонны из отдела биологических наук лаборатории. «У нас есть некоторые идеи, которые мы пытаемся решить, потому что токсины могут иметь разную активность. Они могут по-разному воздействовать на разные бактерии».
«Эти системы обнаружены не только в почве и кишечных бактериях, но и в патогенах человека», - сказал Йоахимиак, который также является старшим научным сотрудником Института вычислений Чикагского университета. «Некоторые из этих токсинов систем ИКД присутствуют, например, в Pseudomonas aeruginosa, которая вызывает заболевания легких».
Иоахимиак и 10 соавторов опубликовали свои выводы в выпуске журнала Nucleic Acids Research от 29 сентября 2017 года.
Команда из Аргонна получила молекулярные структуры белков, принадлежащих к системе из трех частей штамма NC101 E. coli. Три части состоят из токсина CDI, его иммунного белка и его фактора элонгации. Последний, известный как EF-Tu, представляет собой белок, играющий ключевую роль в синтезе белка. Знание белковых структур всех трех частей помогает ученым понять их функции.
Открытие белка иммунитета привело ученых к подозрению, что целью системы является не только конкуренция, но и передача сигналов, процесс, с помощью которого бактериальные клетки общаются друг с другом, а также убивают и контролируют другие бактерии.
«На самом деле лишь несколько молекул токсина попадают в соседнюю клетку», - говорит Каролина Михальска, специалист по кристаллизации белков в Аргонне и соавтор статьи. «Трудно оценить реальную степень повреждения клетки. Вот почему мы думали, что она предназначена не для убийства, а для контроля и связи».
Токсин может воздействовать на перенос рибонуклеиновой кислоты (тРНК) только при очень специфических обстоятельствах.
«Этот конкретный токсин действует на тРНК, и это должен быть очень специфический набор тРНК», - сказала Михальска. «Это первый случай, когда мы видим фактор удлинения как дополнительный компонент, необходимый для функционирования токсина».
Аргоннская команда собрала данные о структурах белков, используя луч Центра структурной биологии в Усовершенствованном источнике фотонов (APS), учреждении для пользователей Министерства энергетики. APS - это источник света третьего поколения, обеспечивающий чрезвычайно яркое рентгеновское излучение, которое позволяет исследователям вникать в массивы молекул внутри материалов. Используя этот инструмент, исследователи могут характеризовать или идентифицировать биологические белки и изучать химические процессы в наномасштабе (одна миллиардная часть метра).
Исследовательская группа Аргонна также подключилась к лаборатории Advanced Protein Characterization Facility, которая предлагает самые передовые национальные технологии для изучения новых классов белков и белковых комплексов.