Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Огонь! Детальный рассказ о бактериальных ружьях
Бактерии редко живут изолированно от окружающей среды. Обычно экосистемы переполнены различными микроорганизмами, которые часто конкурируют за одни и те же ресурсы для выживания. Соответственно, некоторые бактерии в процессе эволюции развили оригинальный способ получения преимущества: молекулярные наномашины, которые действуют как белковые «гарпуны». Точно так же, как ружье имеет пружину с жестким затвором и готово выстрелить при нажатии на спусковой крючок, эти бактериальные наномашины готовы в любой момент выпустить в свое окружение или прямо в клетки-мишени внутреннюю трубку полную груза.
Ранее было замечено, что данные бактериальные ружья (“сократительные инъекционные системы” или contractile injection systems (CIS)) непосредственно воздействуют на другие организмы в среде. Например, CIS бактерии Serratia entomophila была названа «противокормовым профагом» из-за ее способности останавливать пищевую активность личинок насекомых путем введения инсектицидного токсина. Точно так же, продуцируемые бактерией Pseudoaltermonas luteoviolacea ассоциированные с метаморфозом сократительные структуры (Metamorphosis-associated contractile structures или MACs) существуют в виде массива из сотен таких CIS, которые закреплены и направлены наружу «копьями», готовые к выстрелу. Когда MAC сталкивается с морским червем Hydroides elegans, выделяются молекулы, заставляющие червей подвергаться метаморфозу, превращая свободно плавающих личинок червей во взрослых клейких трубчатых червей. В недавних публикациях журнала Nature Microbiology было описано открытие двух новых CIS, продуцируемых водными бактериями.
Многоклеточные цианобактерии производят CIS в необычных местах
Цианобактерии, обычно называемые сине-зелеными водорослями, являются одними из самых распространенных организмов на планете. Способные к фотосинтезу, эти бактерии могут процветать в различных средах: от влажной почвы до пресной и морской воды. Они существуют в виде одиночных клеток, нитей и даже пластов, которые тесно взаимодействуют с другими микробами. Недавно исследователи смогли использовать электронные микроскопы для изображения филаментов цианобактерий, и обнаружили нечто интересное, скрытое внутри: внутри хлоропластов были CIS, встроенные в тилакоидные мембраны – внутреннюю часть клетки, где происходит фотосинтез. Ранее классифицированные CIS были либо прикреплены к внешней клеточной мембране, либо свободно плавали в середине клеток. Эти тилакоидные CIS (или tCIS) представляют собой захватывающий, совершенно новый класс бактериальных “органелл”. Когда цианобактерии испытывают стресс, например, из-за высокой концентрации соли в окружающей среде или воздействия ультрафиолетового света, внешние слои клетки отслаиваются (создается так называемая «клетка-призрак»), обнажая обращенные наружу “заряженные” tCIS.
Выделив отдельные tCIS из цианобактерий, исследователи также смогли определить из каких белков состоят эти ружья, и использовали электронный микроскоп для изображения отдельных атомов, что привело к построению 3D-модели tCIS. Данная визуализация позволила исследователям точно определить важные части CIS, которые наделяют эту систему уникальными возможностями, такими как закрепление в тилакоидной мембране клетки, выбор целей, и запуск специальных грузовых молекул при сокращении.
Освобождение CIS: визуализация CIS вне клетки
С другой стороны, группа также обнаружила еще один CIS, который вообще не был прикреплен к мембране, а свободно плавал внутри бактерии и, впоследствии, оказывался в окружающей среде. Этот eCIS, производимый бактерией Algoriphagus machipongonensis, высвобождается в окружающую среду для нацеливания на другие клетки. Определив компоненты, входящие в состав системы, ученые обнаружили уникальные особенности, которые ранее не были идентифицированы в CIS, такие как «адаптер колпачка», который находится поверх внутренней трубки CIS для ее герметизации, внутренний белок «пробка», который блокирует внутреннюю трубку, и «клетка с шипами», которая покрывает белок с шипами, помогая нацеливаться и предотвращать преждевременное срабатывание. Эти особенности дают представление об эволюции CIS и о том, почему они производят так много разных типов сократительных структур с разными частями и функциями.
Нижнее изображение: Электронно-микроскопическое изображение бактерии A. machipongonensis. На основе этих изображений создаются 3D-модели, которые позволяют исследователям определить какие белки входят в состав каждой CIS, и даже определить положение отдельных атомов. Источник изображений: адаптировано из оригинальных статей Jingwei Xu.
Использование в биомедицине
Эти бактерии развили специализированные молекулярные наномашины, которые позволяют им взаимодействовать с окружающими организмами. Сравнивая 3D-модели недавно обнаруженных tCIS и eCIS с ранее идентифицированными CIS у других бактерий, можно увидеть, что многие CIS имеют общие строительные блоки или модули. Зная это, в будущем исследователи могли бы использовать модульную природу этих молекулярных ружей, переделывая их для нацеливания на определенные типы клеток и запуска лекарств или противомикробных препаратов непосредственно в клетки.
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья:
Изображение: Charles F. Ericson
micro-bites.org 