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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
