Бактерии тоже «нюхают»!

Открытие механизма обоняния бактерий поможет создавать лекарства нового поколения.

Алексей Щербаков

18 мая, 2017 21:30

6 мин

Ученые МФТИ в сотрудничестве с коллегами из исследовательского центра Юлих, Института структурной биологии в Гренобле и Европейского центра синхротронного излучения узнали детали «обоняния» бактерий. Этого удалось достичь, получив структуру белка NarQ бактерии кишечной палочки. Этот белок относится к универсальному классу сенсорных киназ, отвечающих за передачу сигнала об окружающей среде снаружи внутрь бактерий.

Работа, опубликованная в журнале Science, поможет понять, как бактерии «общаются» между собой и образуют устойчивые группы на стерильных поверхностях, а также в человеческом организме. Исследование было выполнено при поддержке гранта ERA.Net RUS PLUS (ID323) и гранта RFMEFI58715X0011 Министерства образования Российской Федерации.

^{Авторы исследования Валентин Борщевский, Иван Гущин и Павел Буслаев, сотрудники Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.}

У бактерии два «носа»

Любая клетка отделена от окружающей среды плотной мембраной, сквозь которую не проходят практически никакие химические вещества. Это помогает клетке поддерживать внутри себя постоянные условия и правильно функционировать.

Однако мембрана сильно ограничивает обмен информацией с окружающей средой. Для того чтобы узнавать, что происходит снаружи, клетка использует особые «молекулярные машины» - белки. Те, что отвечают за общение с окружающей средой, чаще всего «живут» прямо в мембране или около неё, и передают сигналы или переносят химические вещества внутрь клетки или наружу.

Наиболее универсальным механизмом восприятия окружающей среды у бактерий являютсядвухкомпонентные регуляторные системы. Такая система состоит из двух белков: киназы, принимающей сигнал снаружи клетки и передающей его внутрь, и регулятора, принимающего сигнал внутри клетки и запускающего дальнейшие реакции.

Молекулярная «фотография»

Понять «работу» белков помогает их структура, выявляемая с атомной точностью. На данный момент большинство белковых структур (более 100 тыс.) определено методом кристаллографии. Суть его заключается в наблюдении картины дифракции от молекул белка, встроенных в кристаллическую решетку и, соответственно, упорядоченных в ней. Однако в этом случае выявляется структура какого-то одного состояния белка, подобно фотографическому снимку. Если получится «сфотографировать» начальное и конечное его состояния, то можно предположить, как «работает» белок между двумя этими состояниями.

Мембранные «поршни»

Авторам исследования удалось получить структуру киназы NarQ кишечной палочки Escherichia coli. Эта киназа «ощущает» присутствие ионов NO₂ –– и NO₃ –– в окружающей среде и передает сигнал о них внутрь клетки через клеточную мембрану. Более того, авторам исследования удалось получить структуру этой киназы в двух состояниях. Первое – неактивное, в котором белок не связан с ионом нитрата и не передает никакого сигнала. Второе – активное или сигнальное, когда киназа сообщает внутрь клетки о наличии нитратов в окружающей среде.

Для получения белка в неактивном состоянии авторы мутировали место, на которое «садится» нитрат – при этом структура белка нарушена не была, а нитрат перестал присоединяться к нему, что позволило изучить киназу в неактивном состоянии. Структура же белка в сигнальном состоянии была получена для наиболее достоверного, «дикого» белка – без искусственных мутаций, которые ученые часто используют для того, чтобы повысить его стабильность.

Выяснилось, что неактивное и сигнальное состояния отличаются в месте связывания нитрата совсем немного - на 0,5 – 1 ангстрема, что составляет примерно пятую часть размера самого иона. (1 ангстрем – 10^-10 метра). Оказалось, что белок образует «димер»: два белка работают вместе, чтобы захватить ион. А присоединение одного такого иона посередине между двумя киназами вызывает в белке целый каскад изменений!

Сначала, подобно захвату, сдвигаются трансмембранные спирали разных мономеров. Затем спирали белков начинают колебаться с небольшим изменением расстояния между собой в 0,5 – 1 ангстрем, передавая информацию об ионе через мембрану, после чего их концы раздвигаются примерно на 2,5 ангстрема в разные стороны. Эти колебательные движения белковых спиралей ученые назвали «поршнями». На выходе из мембраны, в НАМР-домене, продольные сдвиги конвертируются во вращение двух частей сенсора. Эти сдвиги в итоге изменяют положение спиралей регулятора на целых 7 ангстрем, завершая передачу сигнала.

Кроме структур, в которых два белка образуют захватывающую пару - димер, симметричную относительно центральной оси, авторам исследования удалось получить структуру с асимметричным положением двух белков в паре. В таком состоянии белок «уложен» в кристалле и сильно изогнут. Однако все спирали смещены так, что воздействие на внутриклеточную часть белка почти не меняется. Подобная универсальность открытого учеными движения спиралей белков позволяет утверждать, что для того, чтобы «ощутить» другие химические соединения, достаточно изменить только внешнюю часть рецептора, не меняя «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. Более полно понимая механизмы передачи сигнала, мы в будущем научимся манипулировать такими клетками и, в частности, ослаблять или полностью нейтрализовать вредные эффекты патогенных микроорганизмов», - прокомментировал свое исследование Иван Гущин, заведующий Лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ и, на момент написания статьи в Science, также сотрудник Исследовательского центра Юлих.

Знание тонкостей механизма передачи сигналов через клеточную мембрану позволит создавать лекарства, влияющие на бактериальное «обоняние» - перспективные заменители современных антибиотиков. Эти лекарства будут не убивать бактерии, а лишь подавать им сигналы, чтобы они стали безвредными для человеческого организма. Лекарства нового поколения не станут нарушать нормальную жизнедеятельность микроорганизмов, а, следовательно, в отличие от классических антибиотиков, к ним со временем не будет вырабатываться устойчивость.