Исследователи Университета Сан-Паулу (USP) в Бразилии описали новое семейство антибактериальных токсинов, продуцируемых бактериями, включая вид Salmonella enterica. Этот вид использует токсичные белки для уничтожения других бактерий в микробиоте кишечника, тем самым облегчая заселение кишечника инфицированного хозяина
Исследование было опубликовано в журнале Cell Reports и помещено на обложку журнала.
Основным элементом нового семейства является белок Tide1 (L,D-транспепетидазный эффектор 1 типа VI), который атакует предшественников бактериальной клеточной стенки. Он производится типом VI секреторной системы (T6SS). Атакованные бактерии продолжают расти, однако из-за того, что их клеточные стенки ослаблены, в конечном итоге они погибают, поскольку их содержимое просачивается из-за осмотического давления и лизиса.
«Механизм действия этого семейства токсинов до сих пор не описан. В то время как другие антибактериальные токсины, выделяемые той же системой, уничтожают уже сформированные клеточные стенки целевых бактерий, этот действует на их предшественников так, что стенки становятся либо крайне ослабленными, либо вообще не могут расти», — сказала Этель Байер-Сантос, исследователь Института биомедицины на базе Университета Сан-Паулу (ICB-USP) и ведущий исследователь проекта, который поддерживается Исследовательским фондом Сан-Паулу (FAPESP).
В предыдущем исследовании группа учёных, в которую входила Байер-Сантос, описала другую секреторную систему (Т4SS) у условно патогенной бактерии вида Stenotrophomonas maltophilia. Они также описали токсин, подавляющий рост бактерий.
«Бактерии выбрали эти токсины в ходе эволюции и использовали их тысячи лет, так что эти исследования нацелены на терапевтические цели. Бактериальные токсины всегда могут обладать биотехнологическим потенциалом и стать антибактериальным соединением в будущем», — сказала Байер-Сантос.
Поиск
В своих поисках белка Tide1 учёные анализировали геном бактерий Salmonella в зонах, соседствующих с генами, кодирующими структурные белки в системе секреции (T6SS). Они нашли пару генов с признаками, сигнализирующими о наличии токсичного белка и белка, обеспечивающего иммунитет. Антибактериальные токсины обычно расположены в геноме бактерий рядом с белками, которые содержат антидоты к токсинам. Эти антидоты необходимы микроорганизмам для защиты от их собственного оружия.
Чтобы проверить функции этой пары генов, исследователи для начала экспрессировали ген, который, как они полагали, ответственен за токсичный белок в восприимчивой бактерии кишечной палочки Escherichia coli. Бактерии выжили, когда предполагаемый ген токсина был экспрессирован в цитоплазме, и умерли, когда экспрессия произошла в периплазме, предполагая, что токсин нацелен на какую-то структуру в этой части клеточной стенки.
Далее они экспрессировали в периплазме кишечной палочки оба токсичных белка и предполагаемый иммунный белок. Эта совместная экспрессия нейтрализовала токсический эффект и бактерия выжила, подтверждая то, что изучаемые белки действительно являются токсином и иммунным белком.
В эволюционном аспекте T6SS по устройству похожа на бактериофаги – вирусы, которые заражают бактерии. Она содержит 13 структурных белков, собранных в оружие, похожее на копьё или гарпун с острым наконечником внутри выдвижной цитоплазматической оболочки. Атакующая клетка запускает такой «гарпун», полный токсичных белков, в целевую клетку.
В биоинформатическом анализе было показано, что члены семейства Tlde1 присутствуют у нескольких видов бактерий, и это семейство, возможно, развилось из бактериальных ферментов, играющих ключевую роль в синтезе клеточной стенки. Следующей целью проекта станет выяснить, как фермент, который выполнял роль строителя клеточной стенки, в конечном итоге стал её разрушителем.
Редакторы: Елена Королёва и Максим Коневзеров.
Отдельная благодарность за научную консультацию волонтёру команды SciTeam Рами Масамреху, биохимику Медико-биологического факультета в РНИМУ им. Н.И. Пирогова.