Ученые узнали, как «нюхают» бактерии — Naked Science
23.05.2017
ФизТех

Ученые узнали, как «нюхают» бактерии

Раскрыты детали механизма «обоняния» и «общения» у бактерий. Возможно, это поможет найти ключ к решению глобальной проблемы устойчивости к антибиотикам.

Ученые узнали, как «нюхают» бактерии
Ученые узнали, как «нюхают» бактерии

Ученые из МФТИ в сотрудничестве с коллегами из исследовательского центра Юлих, Института структурной биологии в Гренобле и Европейского центра синхротронного излучения узнали детали механизма работы «обоняния»  бактерий. Сделать это удалось благодаря получению структуры белка NarQ из кишечной палочки — представителя универсального класса сенсорных киназ, отвечающих за передачу сигнала об окружающей среде внутрь бактерий. Работа, опубликованная в журнале Science, поможет понять, как бактерии «общаются» между собой и образуют устойчивые группы на стерильных поверхностях или в организме человека.

2017.05.12-2-10003.jpg
Валентин Борщевский, Иван Гущин и Павел Буслаев, сотрудники Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ

Подобные исследования — ключ к решению глобальной проблемы устойчивости к антибиотикам, потому что лекарства, влияющие на бактериальное «обоняние», являются перспективными заменителями современных антибиотиков. Они не убивают бактерии, а лишь подают им сигналы, чтобы те стали безвредными для организма. Так как лекарства такого типа не нарушают нормальную жизнедеятельность микроорганизмов, к ним не может выработаться устойчивость, в отличие от классических антибиотиков.

Две компоненты клеточного обоняния 

Любая клетка отделена от окружающей среды плотной мембраной, через которую не проходят практически никакие химические вещества. Это позволяет ей держать условия внутри себя постоянными и правильно функционировать. Однако мембрана сильно ограничивает обмен информацией с окружающей средой. Для того, чтобы узнавать о происходящем снаружи, клетка использует особые молекулярные машины — белки. Те из них, что предназначены для общения с окружающей средой, чаще всего «живут» прямо в мембране или около нее, и отвечают за передачу сигналов или химических веществ внутрь клетки или наружу.

Наиболее универсальным механизмом «восприятия» окружающей среды у бактерий являются двухкомпонентные регуляторные системы. Такая система состоит из двух белков: киназы, которая принимает сигнал снаружи клетки и передает его внутрь, и регулятора, который принимает сигнал внутри клетки и запускает дальнейшие реакции.

Молекулярная фотография

Для понимания работы белков хорошим подспорьем может служить их структура, сконструированная с атомной точностью. Сегодня большинство белковых структур (более 100 тыс.) получено методом кристаллографии. Суть этого метода заключается в наблюдении картины дифракции от упорядоченных в кристаллическую решетку молекул белка. Однако таким образом можно получить только структуру какого-то одного состояния белка, как на фотографии. Если получится «сфотографировать» начальное и конечное состояния какого-то процесса, можно предположить, как именно работает белок при переключении между этими состояниями.

Мембранные «поршни» двигают клеточное обоняние 

Авторам исследования удалось получить структуру киназы NarQ из кишечной палочки E. coli в двух состояниях. Киназа «ощущает» присутствие ионов NO2— и NO3— в окружающей среде и передает сигнал об этом через клеточную мембрану. В результате исследования выяснилось, что  белок образует «димер», когда два белка работают вместе, чтобы захватить ион. Первое состояние — неактивное, в котором белок не связан с ионом нитрата и не передает никакого сигнала. Второе состояние, напротив, активное, или сигнальное: в нем киназа сообщает внутрь клетки о наличии нитратов в окружающей среде.

Структура белка в сигнальном состоянии была получена для наиболее достоверного «дикого» белка: без искусственных мутаций, которые ученые часто используют для того, чтобы повысить стабильность белка. Для получения структуры в неактивном состоянии авторы мутировали место, к которому привязывается нитрат. При этом стабильность белка не была нарушена, однако нитрат перестал присоединяться к нему, давая возможность посмотреть на киназу в неактивном состоянии.

Выяснилось, что сигнальное и неактивное состояния отличаются в месте связывания нитрата совсем немного, на 0,5-1 ангстрем (примерно одна пятая размера самого иона; 1 ангстрем — 10-10 метра). Однако присоединение этого иона посередине между двумя киназами вызывает  каскад изменений в белке: сначала, как поршни, сдвигаются трансмембранные спирали разных мономеров. Эти «поршни» передают небольшое изменение в 0,5-1 ангстрем через мембрану, и их внешние концы при этом раздвигаются примерно на 2,5 ангстрема в разные стороны. На выходе из мембраны, в НАМР-домене, продольные сдвиги спиралей конвертируются во вращение двух частей сенсора друг относительно друга. Эти сдвиги в итоге изменяют положение спиралей регулятора на целых 7 ангстрем, завершая передачу сигнала.

narq_540x540.gif

Кроме структур, в которых два белка образуют пару — димер, симметричную относительно центральной оси, ученым удалось получить структуру с асимметричным положением двух белков в паре. В этом состоянии белок «уложен» в кристалле иначе и сильно изогнут. Однако все спирали смещены так, что воздействие на внутриклеточную часть белка почти не меняется. Подобная универсальность открытого движения позволяет сказать, что механизм передачи сигнала универсален, и для того, чтобы «ощутить» другие химические соединения, достаточно будет изменить только внешнюю часть рецептора, не меняя при этом «поршневой» механизм.

«Передача сигнала через клеточную мембрану — один из фундаментальнейших вопросов современной биологии. В этой работе мы в деталях показали, как сигнал (в данном случае, связывание нитрата) может передаваться на сотни ангстрем внутрь клетки — бактерий и архей, а также грибов и растений. Понимая механизмы передачи сигнала более полно, мы можем рассчитывать в будущем научиться манипулировать такими клетками, и в частности ослаблять или нейтрализовать вредные эффекты патогенных микроорганизмов», — комментирует исследование Иван Гущин, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ и, на момент написания статьи, также сотрудник Исследовательского центра Юлих.

Работа была выполнена при поддержке гранта ERA.Net RUS PLUS (ID 323) и гранта RFMEFI58715X0011 Министерства образования Российской Федерации.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
11 часов назад
Александр Березин

Сегодня на Землю вернулся экипаж Inspiration 4. Пресса уже единодушно пишет об этом так: большой и яркий успех амбициозной космической компании. Без единого профессионала-астронавта — и взлетели выше МКС! Все это правда. Но правда и другое: сам Илон Маск и все, кто хорошо представляют себе пилотируемые космические полеты, находились в напряжении все трое суток, пока четверо смелых из Inspiration 4 были в космосе. И можно с уверенностью сказать, что впереди у SpaceX, кажется, еще куда более рискованные полеты. Попробуем разобраться почему.

Позавчера, 16:28
Илья Ведмеденко

Модернизированный стратегический бомбардировщик Ту-160 снова поднялся в небо. Самолет среди прочего получил обновленную силовую установку.

Позавчера, 12:59
Алиса Гаджиева

Несмотря на то, что в крестовых походах погибли тысячи людей, археологи невероятно редко обнаруживают их массовые захоронения. По одной из версий, убитых, найденных в этот раз, хоронил лично Людовик IX Святой, король Франции, предводитель двух крестовых походов.

15 сентября
ПНИПУ

Ученые Пермского Политеха и Хуачжунского университета науки и технологии (КНР) создали уникальную технологию, которая позволит предприятиям производить промышленные изделия без дефектов. Лазерная сварка в вакууме позволит повысить качество ответственных конструкций в аэрокосмической и машиностроительной отраслях. Российские и зарубежные ученые реализовали разработку благодаря уникальному проекту международных исследовательских групп (МИГов), который действует в Пермском крае с 2011 года и не имеет аналогов в России.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

11 часов назад
Александр Березин

Сегодня на Землю вернулся экипаж Inspiration 4. Пресса уже единодушно пишет об этом так: большой и яркий успех амбициозной космической компании. Без единого профессионала-астронавта — и взлетели выше МКС! Все это правда. Но правда и другое: сам Илон Маск и все, кто хорошо представляют себе пилотируемые космические полеты, находились в напряжении все трое суток, пока четверо смелых из Inspiration 4 были в космосе. И можно с уверенностью сказать, что впереди у SpaceX, кажется, еще куда более рискованные полеты. Попробуем разобраться почему.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

9 сентября
Алиса Гаджиева

Необычный артефакт обнаружили в одном из пунктов сбора вторсырья в Красноярском крае.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: