Η ατομική όψη της κυτταρικής αντλίας αποκαλύπτει πώς τα βακτήρια στέλνουν πρωτεΐνες

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τους ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST) χρησιμοποίησε απεικόνιση αιχμής για να συλλάβει μια αντλία πρωτεΐνης που εργάζεται σε πραγματικό χρόνο. Τα ευρήματα αποκάλυψαν πώς τα βακτήρια στέλνουν πρωτεΐνες από το κύτταρο, έναν μηχανισμό που συνδέεται με τη βακτηριακή παθογένεση και τον σχηματισμό βιοφίλμ. Τα συστήματα βακτηριακής έκκρισης παρουσιάζουν επίσης ενδιαφέρον για τη βιοτεχνολογία και την ιατρική, καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παροχή θεραπευτικών πρωτεϊνών σε συγκεκριμένα κύτταρα -στόχους.

Τα Gram-αρνητικά βακτήρια είναι σε θέση να στέλνουν πρωτεΐνες μέσω των εξωτερικών μεμβρανών τους μέσω ενός μεγάλου μοριακού μηχανήματος γνωστού ως συστήματος έκκρισης τύπου II (T2SS). Αυτή η αντλία αποτελείται από περίπου 15 πρωτεϊνικά συστατικά που λειτουργούν μαζί σαν σύριγγα, επιτρέποντας στα βακτηρίδια να στέλνουν πρωτεΐνες τελεστή στο περιβάλλον τους.

"Χρησιμοποιώντας τη μικροσκοπία κρυο-ηλεκτρονίων, μπορέσαμε να απεικονίσουμε αυτό το συγκρότημα πολλαπλών πρωτεϊνών, που ονομάζεται Secretin, σε μοριακό επίπεδο.

Μία από τις προκλήσεις της απεικόνισης βιολογικών δομών είναι να τις κρατάει όσο το δυνατόν πιο κοντά στην πατρίδα τους. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για συμπλέγματα πρωτεϊνών όπως η μυστικίνη, τα οποία είναι δυναμικές δομές που υφίστανται συνεχώς αλλαγές διαμόρφωσης.

"Αυτό που κάνει τη μελέτη μας διαφορετική από τις προηγούμενες είναι ότι απεικονίσαμε τη μυστική καθώς λειτουργεί, σε μια διαδικασία που ονομάζεται κρυο-παγίδα", δήλωσε ο Δρ DePo. "Αυτή η προσέγγιση μας επιτρέπει να συλλάβουμε μια σειρά στιγμιότυπων σε όλα τα διαφορετικά βήματα του κύκλου έκκρισης."

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα συνδυασμό τεχνικών απεικόνισης, συμπεριλαμβανομένων των μονο-σωματιδίων Cryo-EM και υψηλής ταχύτητας μικροσκοπίας ατομικής δύναμης για να συλλάβουν τη δομή και τη λειτουργία της μυστικίνης. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν πως η μυστικίνη σχηματίζει ένα καναλιές με πυκνότητα και πώς αλληλεπιδρά με τις πρωτεΐνες τελεστή για να επιτρέψει την αποτελεσματική έκκριση των πρωτεϊνών από το κύτταρο.

"Ο μηχανισμός της έκκρισης πρωτεϊνών σε Gram-αρνητικά βακτηρίδια έχει μελετηθεί εδώ και δεκαετίες", δήλωσε ο καθηγητής James Hurley, ανώτερος συγγραφέας στο χαρτί και επικεφαλής της μοριακής εγκατάστασης κρυο-απεικόνισης του OIST. "Αυτή η διαδικασία έκκρισης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον τρόπο με τον οποίο τα βακτήρια αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους, όπως η πρόκληση ασθενειών σε φυτά ή ζώα. Με την κατανόηση των μηχανισμών σε μοριακό επίπεδο, ελπίζουμε να αποκτήσουμε πληροφορίες για νέες στρατηγικές για την ανάπτυξη φαρμάκων για την αναστολή αυτών των διεργασιών".

Αυτή η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, ανοίγει νέες οδούς για την κατανόηση της δομής και της λειτουργίας του T2SS και θα βοηθήσει στη συνεχιζόμενη ανάπτυξη νέων θεραπευτικών στρατηγικών που στοχεύουν στην οδό έκκρισης.