Ny klasse af antimikrobielle stoffer opdaget i jordbakterier

Forskere har opdaget giftige proteinpartikler, formet som paraplyer, som jordbakterier kendt som Streptomyces udskiller til squelch konkurrenter, især andre af deres egen art.

Opdagelsen af ​​paraplytoksinpartiklerne og relaterede oplysninger om deres strukturer, sammensætning og virkemåde blev offentliggjort i Nature .

Paraplytoksinproteinerne er det seneste eksempel på disse bakteriers varierede, kamplystne angreb på deres mikroskopiske rivaler. De overfyldte, forskelligartede bakteriesamfund, de lever i, er en nærkamp af antimikrobielle angreb, modangreb og forsvar.

Ironisk nok stammer mange klinisk anvendte antibiotika direkte fra eller er inspireret af molekyler, som bakterier bruger mod hinanden i deres naturlige habitat. Streptomyces' kemiske våben mod deres konkurrenter er en af ​​de rigeste kilder til sådanne molekyler. Blandt dem er det almindelige bredspektrede lægemiddel streptomycin.

Det, der gør disse nyopdagede antibakterielle toksiner anderledes, er, at paraplytoksiner, i modsætning til Streptomyces' små molekyle antibiotika, er store komplekser sammensat af flere proteiner. De er også langt mere specifikke i de bakterier, de retter sig mod.

Forfatterne af papiret spekulerer i, at disse egenskaber ved paraplytoksiner forklarer, hvorfor de undslap opdagelsen i mere end 100 års forskning i toksiner produceret af Streptomyces.

Gener, der koder paraplytoksiner, blev oprindeligt afsløret gennem en bioinformatisk søgning efter nye bakterielle toksiner. I biokemiske og genetiske eksperimenter ledet af Qinqin Zhao i Joseph Mougous' mikrobiologiske laboratorium ved University of Washington School of Medicine, lærte forskerne, at disse toksiner er forbundet med andre proteiner i et stort kompleks.

Kryo-elektronmikroskopi af disse proteinkomplekser blev udført af Young Park i laboratoriet af David Veesler, professor i biokemi ved UW School of Medicine og en efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute.

Disse undersøgelser afslørede, at toksinkomplekserne, som Qinqin isolerede, antager et slående udseende, der passer til deres opdagelse i Seattle. De ligner paraplyer.

"Formen af ​​disse partikler er ret ejendommelig, og det vil være interessant i fremtidigt arbejde at lære, hvordan deres usædvanlige morfologi hjælper dem med at eliminere målbakterier," bemærkede Mougous, professor i mikrobiologi ved UW School of Medicine og et Howard Hughes Medical Institute efterforsker.

Forskerne forsøgte derefter at bestemme målene for disse toksiner ved at screene deres virkninger på enhver organisme, de kunne tænkes at målrette mod, fra svampe til 140 forskellige bakterier, inklusive nogle taget fra sorghumplanter i laboratoriet af undersøgelsesforfatteren Devin Coleman ved University of California- Berkeley og US Department of Agriculture Agricultural Research Service.

Blandt disse potentielle modstandere var toksinerne specifikt rettet mod deres egne brødre:andre Streptomyces-arter.

"Vi tror, ​​at denne udsøgte specificitet kan skyldes de proteiner, der udgør paraplyens eger, som varierer på tværs af partiklerne. Disse omfatter proteiner, der kan hænge fast på specifikke sukkerarter, der findes på overfladen af ​​konkurrerende bakterier," kommenterede undersøgelsesforfatter S. Brook Peterson, seniorforsker i Mougous-laboratoriet.

Ved at analysere de tusindvis af offentligt tilgængelige bakteriegenomer fandt undersøgelsesforfatterne Dapeng Zhang fra St. Louis University og hans kandidatstuderende Youngjun Tan ud af, at mange andre arter af bakterier også har generne til at fremstille paraplypartikeltoksiner. Interessant nok danner disse arter alle forgrenede filamenter, en usædvanlig vækstmåde blandt bakterier.

Ud over de mange spørgsmål, der mangler at blive besvaret om paraplytoksinpartiklernes grundlæggende biologi, er Mougous og hans kolleger fascinerede af deres potentielle kliniske anvendelser.

De har mistanke om, at de bakterier, der forårsager tuberkulose og difteri, kan være følsomme over for paraplytoksiner. De bemærker, at de samme bakterier er blevet resistente over for traditionelle antibiotika. Paraplytoksinpartikler kunne være værd at udforske, foreslog forskerne, for deres potentiale til at undertrykke disse alvorlige sygdomsfremkaldende bakterier.

Flere oplysninger: Joseph Mougous et al., Streptomyces paraplytoksinpartikler blokerer hyfe vækst af konkurrerende arter, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07298-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07298-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Washington School of Medicine