Strukturel indsigt i små bakterieharpuner

Ny forskning belyser, hvordan forskellige bakteriearter kan bygge komplekse nano-harpuner med forskellige proteinbyggesten. Bakterier bruger disse harpuner kaldet sekretionssystemer af type VI til at injicere toksiner i celler i nærheden. Forskere fra University of Sheffield fandt ud af, at mens proteinerne varierede, der var strukturelt lignende portioner, der interagerede med maskineriet.

Bakterier producerer komplekse nano-harpuner på deres celleoverflade. En af deres funktioner er at harpunere og injicere toksiner i celler i nærheden. At producere et så komplekst våben kræver masser af forskellige bevægelige komponenter, som forskere stadig forsøger at forstå. Forskere fra University of Sheffield har brugt nogle af Diamants krystallografistråler til at forstå et særligt gådefuldt stykke af dette lille puslespil. Teamet ledet af David Rice og Mark Thomas arbejdede på en proteinkomponent i harpunen kaldet TssA, som de allerede vidste var en integreret del af maskinen.

Imidlertid, i modsætning til de andre komponenter i harpunen, der er forskellige varianter af TssA -proteinet, der indeholder radikalt forskellige aminosyresekvenser i den ene ende af proteinet. Teamet viste, at strukturerne i den variable region for to forskellige TssA -underenheder var fuldstændig uafhængige, og de kunne samles til tydeligt forskellige multisubunit -komplekser med hensyn til deres størrelse og geometri. Dette stillede spørgsmålet om, hvordan forskellige bakterier kunne bruge dette protein med forskellige strukturer til at producere en harpun med samme funktion på tværs af alle arter. De fandt ud af, at på trods af disse forskelle der var en meget specifik bevaret region i den anden ende af proteinet. De antager, at den bevarede region er den del, der udfører arbejdet og hjælper harpunen til at fungere, mens den variable region fungerer som et stillads. De brugte I02, I03 og I24 i deres undersøgelse og planlægger at foretage opfølgningsarbejde ved hjælp af røntgenkrystallografi og Cryo-EM, f.eks. Dem på eBIC-centret i Diamond. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Bakterielle nano-harpuner og det gådefulde TssA-protein

Biologisk krigsførelse i bakterier er relativt velkendt. En gruppe bakterier vil annektere en knap ressource for sig selv, så de producerer et toksin, som de er immune over for, og dræber eventuelle potentielle angribere. Imidlertid, nogle bakterier har en mere rettet tilgang. I stedet for at spytte toksiner ud i det ekstracellulære miljø, de monterer miniature harpuner på deres yderste overflade og svømmer rundt og injicerer toksiner direkte i potentielle aggressorer eller konkurrenter. Dette er ikke en overdrivelse eller en metafor, lige nu svømmer bakterier rundt bogstaveligt talt harpunere hinanden ihjel. Disse harpuner er navngivet type VI -sekretionssystemer (T6SS), og siden deres opdagelse i 2005 har forskere rundt om i verden forsøgt at forstå denne miniature -teknik.

Sammensætningen og kompleksiteten af ​​disse molekylære maskiner giver perfekte problemer for strukturel biologi, og mange af proteinkomponenterne i disse maskiner er blevet undersøgt ved hjælp af røntgenkrystallografi eller kryo-elektronmikroskopi. Forskning har vist, at hele systemet består af et proteinkompleks, der danner et stort kammer, der er forankret i membranen. Dette holder et slibet rør, der skubbes ud, så snart en kappe omkring det trækker sig sammen med en proteinbaseplade placeret i bunden af ​​kammeret, affyre harpunen til en intetanende nabo.

Selvom der forstås meget om T6SS'er, der er stadig nogle kritiske komponenter, der forbliver gådefulde, en af ​​disse er TssA -proteinet.

Mange undersøgelser har vist, at dette protein er en integreret del af T6SS -maskineriet, men forskning i det DNA, der koder for dette protein, viser, at det mellem arter, der er stor variation. Variation er normalt ikke ønskelig i proteiner, der har en væsentlig funktion, hvis du har en opskrift der virker det er ikke en god idé pludselig at ændre en væsentlig del af det. Dette rejste nogle spørgsmål, hvad gør TssA -proteinet, og hvilken effekt har disse variationer på funktionen?

Hvordan fungerer TssA -proteinet?

Forskergruppen startede med at lave en analyse af aminosyresammensætningen af ​​fire forskellige TssA -proteiner. De fandt ud af, at hvis de lagde proteinsekvenserne i en linje, venstre eller N-enden var altid meget ens, og højre eller C-terminalen varierede meget. Teamet spekulerede på, om disse forskelle ville forhindre TssA -proteinet i at interagere som forventet med de andre proteiner, der er nødvendige for at bygge den bakterielle harpun. De udførte laboratorietest og fandt ud af, at faktisk TssA -proteinet interagerede med næsten alle de andre komponenter i harpunen nøjagtigt som forventet. For at forstå hvorfor, de tog flere ture til Diamond for at bruge I02, I03 og I24 strålelinier til makromolekylær krystallografi. Ved at analysere dataene fra de forskellige TssA -proteiner fandt man ud af, at de havde meget forskellige strukturer. Dette påvirkede ikke kun, hvordan enkelte proteiner så ud, men også hvordan de interagerede med hinanden for at danne multisubunit -komplekser.

Forskergruppen kendte allerede til en offentliggjort struktur af proteinet, der dannede sig til en ring med 6 medlemmer, når det blev samlet. Imidlertid, deres nye undersøgelser afslørede, at forskellige versioner af TssA-proteinet kunne danne ringe med 5 eller 16 medlemmer. På trods af forskellene, alle TssA -proteiner havde en strukturelt konserveret portion, der altid var placeret på ydersiden af ​​samlingskomplekser. Dette fik forskergruppen til at hypotese, at det var denne bevarede sektion, der var involveret i funktionen af ​​bakterieharpunen. De begrundede, at resten af ​​proteinet, der indeholdt al variationen, fungerede som et stillads til at holde proteinkompleksets arbejdsenhed.

Hvad rummer fremtiden?

Mens beviserne er overbevisende, er der stadig mere arbejde at gøre. Professor David Rice sagde, at "fremtiden for dette arbejde får flere eksempler fra forskellige bakteriearter og kombinerer krystallografidata med Cryo-EM-teknikker." I sidste ende vil teamet gerne undersøge strukturen og funktionen af ​​hele T6SS -komplekset fra forskellige bakterier for at kontrollere, om deres hypotese er korrekt. De planlægger at bruge røntgenkrystallografi ved strålelinjer som I03, I24 samt den nyopførte VMXi. De planlægger også at bruge Cryo-EM, som også er tilgængelig i Diamond's eBIC-center. Kombinationen af ​​disse komplementære strukturbiologiske teknikker gør det muligt for forskerne at opbygge et mere komplet billede af, hvordan dette komplekse stykke nanomaskiner er konstrueret, og hvordan det fungerer.

De anvendte teknikker kan også informere andre forskere med lignende spørgsmål. Tidligere data havde antydet, at TssA -proteinet var en homolog for et basispladeprotein, der findes i bakteriofag. Denne undersøgelse viste, at dette ikke kun var tilfældet, men at TssA -proteinerne var meget forskellige fra hinanden og oprindeligt havde fået forskere til at tildele funktionen forkert. Detaljeret arbejde med proteinsekvenserne, interaktionsstudier og omhyggelige strukturbiologiske eksperimenter tillod forskergruppen fra Sheffield at afdække et mere præcist billede af dette vigtige mikrobielle våben.

Forskningen er også af stor interesse for kemikere og ingeniører, der kan hente inspiration fra bakterierne til at producere deres egne nanomaskiner. Der er potentielle anvendelser inden for infektionskontrol, hvor harpunerne kan målrettes af nye lægemidler til at deaktivere bakterier, der anvender dem, når de forårsager infektioner. Der er også anvendelser inden for lægemiddeltilførsel, hvor harpunerne kan bruges til at injicere peptid- og proteinlægemidler i specifikke målceller. På et mere fundamentalt plan, simpelthen at forstå, hvordan sådan en lille og kompleks bevægelig maskine kan konstrueres, og hvordan den fungerer, kan en dag hjælpe os med at bygge vores egen.