Atomvisning af cellulær pumpe afslører, hvordan bakterier udsender proteiner

Et internationalt hold ledet af forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) brugte banebrydende billeddannelse til at fange en proteinpumpe, der arbejder i realtid. Resultaterne afslørede, hvordan bakterier sender proteiner ud af cellen, en mekanisme forbundet med bakteriel patogenese og biofilmdannelse. Bakterielle sekretionssystemer er også af interesse inden for bioteknologi og medicin, da de kan bruges til at levere terapeutiske proteiner til specifikke målceller.

Gram-negative bakterier er i stand til at sende proteiner ud gennem deres ydre membraner via en stor molekylær maskine kendt som type II sekretionssystem (T2SS). Denne pumpe er sammensat af cirka 15 proteinkomponenter, der arbejder sammen som en sprøjte, hvilket gør det muligt for bakterier at sende effektorproteiner ud i deres omgivelser.

"Ved at bruge kryo-elektronmikroskopi var vi i stand til at afbilde denne multi-proteinsamling, kaldet sekretinet, på molekylært niveau. Sekretinet danner den kanal, som effektorproteinerne udstødes gennem," forklarede Dr. Daniel Depo, førsteforfatter på papiret og en postdoc ved OIST.

En af udfordringerne ved at afbilde biologiske strukturer er at holde dem så tæt som muligt på deres oprindelige tilstand. Dette er især vigtigt for proteinkomplekser som sekretinet, som er dynamiske strukturer, der konstant gennemgår konformationelle ændringer.

"Det, der gør vores undersøgelse anderledes end tidligere, er, at vi afbildede sekretinet, som det fungerer, i en proces, der kaldes cryo-trapping," sagde Dr. Depo. "Denne tilgang giver os mulighed for at fange en række snapshots gennem de forskellige trin i sekretionscyklussen."

Forskerne brugte en kombination af billeddannelsesteknikker, herunder enkelt-partikel kryo-EM og højhastigheds atomkraftmikroskopi til at fange strukturen og funktionen af ​​sekretinet. Resultaterne afslørede, hvordan sekretinet danner en lukket kanal, og hvordan det interagerer med effektorproteiner for at muliggøre effektiv sekretion af proteiner ud af cellen.

"Mekanismen for proteinsekretion i gram-negative bakterier er blevet undersøgt i årtier," sagde professor James Hurley, seniorforfatter på papiret og leder af OIST's Molecular Cryo-Imaging Facility. "Denne sekretionsproces spiller en vigtig rolle i den måde, som bakterier interagerer med deres omgivelser på, såsom at forårsage sygdom hos planter eller dyr. Ved at forstå mekanismerne på molekylært niveau håber vi at få indsigt i nye strategier til udvikling af lægemidler til at hæmme disse. processer."

Denne forskning, offentliggjort i Nature Communications, åbner nye veje til at forstå strukturen og funktionen af ​​T2SS og vil hjælpe med den løbende udvikling af nye terapeutiske strategier rettet mod sekretionsvejen.