Hold sammen med at modellere atomstrukturer af tre bakterielle nanomaskiner

Forskere ved UCLA's California NanoSystems Institute er blevet de første til at producere billeder af atomstrukturer af tre specifikke biologiske nanomaskiner, hver afledt af en anden potentielt dødelig bakterie - en præstation, de håber vil føre til antibiotika målrettet mod bestemte patogener.

Forskerne brugte en avanceret teknologi kaldet cryo-elektronmikroskopi, eller cryoEM, at afsløre form og funktion af disse vigtige strukturer. Papirer om deres resultater blev offentliggjort i tre tidsskrifter i topklasse: Natur , Celle , og Naturens strukturelle og molekylære biologi .

To af nanomaskinerne er strukturer kaldet kontraktile udstødningssystemer, som deres bakterier bruger til at overføre giftige molekyler til raske celler for at bruge dem til deres egne formål, at angribe rivaliserende bakterier ved at levere toksiner i dem, og andre funktioner. Disse strukturer har kappe -rørsamlinger, der skaber åbninger i målcellernes ydre membraner, hvorigennem de kan indsætte giftige molekyler.

Den tredje nanomaskin - forskellig fra de to andre - er en porestruktur, der leverer dødbringende miltbrandstoksin til pattedyrsceller, når miltbrandbakterierne er i blodbanen. Denne mekanisme er, hvordan miltbrandbakterier aktiverer sygdommen hos et inficeret dyr eller en person.

Hvordan nanomaskinerne fungerede var blevet dårligt forstået, men UCLA -forskerne brugte et cryoEM udstyret med et specielt kamera kaldet en direkte elektrondetektor til at producere meget detaljerede billeder. Forskerne håber, at de nye oplysninger om, hvordan de fungerer, vil sætte dem i stand til at skabe antibiotika, der er målrettet mod bakterielle patogener.

Holdet, ledet af Hong Zhou, professor i mikrobiologi, immunologi og molekylær genetik, og om kemi og biokemi, driver Electron Imaging Center for Nanomachines laboratorium, som er baseret på CNSI og huser UCLAs Titan Krios elektronmikroskop - et yderst sofistikeret og sjældent cryoEM.

"Som midtpunktet i vores elektronmikroskopikernelaboratorium, kryo -elektronmikroskop muliggør udforskning af nyt territorium inden for molekylærbiologi, "sagde Jeff Miller, direktør for California NanoSystems Institute. "Disse hidtil usete billeder sætter os i stand til at forstå den virkelige funktion af disse bemærkelsesværdige strukturer."

Miltbrandstoksin

I et papir udgivet online af Natur , Professor Zhou og hans team rapporterede, at de var de første til at bestemme atomstrukturen i miltbrandstoksinporen, det store sygdomsmolekyle af Bacillus anthracis, den bakterie, der forårsager sygdommen miltbrand hos mennesker og dyr. Miltbrandstoksinporens atomstruktur er svampeformet med en port inde i "skaftet".

Fundet bekræfter, hvordan sygdommen påvirker celler. Når sunde celler støder på nanoskalaobjekter i kroppen, de antager, at objekterne er næringsstoffer og absorberer dem. Som en trojansk hest, toksinporen fremstår for cellerne som noget gavnligt - i dette tilfælde, et næringsstof - og optages af cellen. Men en gang inde i cellen, poren mærker ændringen til et mere surt miljø, som åbner porens port og frigiver miltbrandstoksinmolekylet i cellen.

"Dette er et meget vigtigt skridt i retning af at forstå denne mekanisme, og det er afgørende for enhver miltbrand modforanstaltning, "Sagde Zhou." Det informerer også vores forståelse af mekanismerne for andre toksiner, der fungerer som miltbrand, hvilket kan føre til andre målrettede antibiotika. "

Tularæmi type VI sekretionssystem

En anden nanomaskine blev beskrevet af Dr. Marcus Horwitz, en UCLA -professor i medicin og mikrobiologi, immunologi og molekylær genetik, der arbejdede med Zhous team. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Celle , forskerne rapporterede den første atomopløsningsmodel af ethvert type VI -sekretionssystem, eller T6SS, en nanomaskine fundet i cirka 25 procent af gramnegative bakterier.

Gram-negative bakterier er ansvarlige for sygdomme som kolera, salmonellose, Legionærsygdom og melioidose, og alvorlige infektioner, herunder gastroenteritis, lungebetændelse og meningitis. Til det nye studie, forskerne undersøgte Francisella tularensis, en bakterie, der forårsager tularæmi og er af stor bekymring som et potentielt bioterrorismemiddel.

Bygget af komponentproteiner, T6SS nanomaskinen har en atomstruktur, der ligner et stempel. Når F. tularensis optages i en type hvide blodlegemer kaldet en makrofag, er den omgivet af en boblelignende membran, en struktur kendt som et fagosom. T6SS nanomaskinen samles derefter inde i bakterien, hvor det styrter et rør gennem bakterievæggen og fagosomets membran ind i cytoplasmaet, stoffet inde i makrofagen. Dette gør det muligt for bakterien at undslippe fagosomet ind i cytoplasmaet, hvor den kan fuldføre sin livscyklus og formere sig. Snart, makrofagen fyldes med bakterier og brud, frigør bakterierne til at inficere andre celler. Dermed, T6SS er et nyt mål for antibiotika mod denne bakterie, og mod andre, der bruger det til at overleve i værtsceller eller til at bekæmpe rivaliserende bakterier.

"Vi identificerer allerede lægemiddelmolekyler, der er målrettet mod F. tularensis T6SS, "Horwitz sagde." At vide, hvordan denne struktur fungerer, guider os i valg af lægemiddelmolekyler, der blokerer dets samling eller funktion. Det overordnede mål er at finde nye antibiotika, der direkte er målrettet mod dette bioterrorismemiddel i topniveau og andre gramnegative bakterier med en T6SS, såsom Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei, og patogen Escherichia coli. "

Horwitz og hans team kunne potentielt også udvikle lægemidler med bredere spektrum, der virker på mange forskellige gramnegative patogener, der har et T6SS til fælles.

Pseudomonas aeruginosa

Hos mennesker og dyr, en bakterie kaldet Pseudomonas aeruginosa forårsager infektionssygdomme, der fører til generaliseret betændelse og sepsis, en farlig infektion i blodet. Et team ledet af Zhou og Miller opdagede atomstrukturer af pyociner af R-type, kontraktile udstødningssystemer af Pseudomonas aeruginosa. Deres resultater blev offentliggjort online af Naturens strukturelle og molekylære biologi .

R-type pyociner bruges af bakterien til hurtigt at indsætte deres nanorør, som vædderamme, ind i cellemembraner af konkurrerende bakterier for at dræbe konkurrenterne, giver Pseudomonas aeruginosa lettere adgang til næringsstoffer. Disse pyociner ser ud til at skabe en kanal i den ydre kappe af målbakterierne, som i det væsentlige virker for at svække og dræbe det. Denne evne har gjort pyociner af R-typen til forskningens fokus på mulige antimikrobielle og bioingeniøranvendelser, og forskere mener, at de kunne konstrueres til at give lægemidler en kraftfuld antibakteriel komponent.

"R2 pyocin er en ekstraordinær molekylær maskine, der bruger energi fra sit eget biologiske batteri til at fungere, "sagde Miller, som også er professor i mikrobiologi, immunologi og molekylær genetik. "Det er ideelt til konstruktion af målrettede antibiotika, der dræber de dårlige bakterier uden at forstyrre en patients beskyttende tarmbakterier."

Teknologiens knaphed og den ekspertise, der er nødvendig for at bruge den, gør CNSI til en af ​​verdens få faciliteter, der er i stand til at afbilde atomstrukturer som disse nanomaskiner i atomopløsningsopløsning, derfor kommer forskere fra hele verden til UCLA for at bruge Electron Imaging Center for Nanomachines, et gebyr-for-service laboratorium åbent for enhver videnskabsmand i den akademiske verden eller industrien.

Andre UCLA -forskere, der bidrog til de tre artikler, var Daniel Clemens, adjungeret professor i medicin; Xuekui Yu, adjungeret adjunkt i mikrobiologi, immunologi og molekylær genetik; Peng Ge, en forskningsassistent; Bai-Yu Lee, en associeret forsker; og Jiansen Jiang, en postdoktor. Bradley Pentelute fra Massachusetts Institute of Technology, R. John Collier fra Harvard University Medical School, Dean Scholl fra AvidBiotics og Petr Leiman fra Ecole Polytechnique Federale de Lausannes Institute of Physics of Biological Systems var de andre medforfattere.