Ученые узнали, как «нюхают» бактерии — Naked Science
12 минут
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.
ФизТех
213 статей
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.
Сегодня, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

5 часов назад
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

4 часа назад
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Сегодня, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: