Wetenschap
Nieuwe klasse antimicrobiële stoffen ontdekt in bodembacteriën
Onderzoekers hebben giftige eiwitdeeltjes ontdekt, in de vorm van paraplu's, die bodembacteriën, bekend als Streptomyces, afscheiden om concurrenten, vooral anderen van hun eigen soort, te onderdrukken.
De ontdekking van de overkoepelende toxinedeeltjes en gerelateerde informatie over hun structuren, samenstelling en werkingsmechanisme zijn gepubliceerd in Nature .
De overkoepelende toxine-eiwitten zijn het nieuwste voorbeeld van de gevarieerde, strijdlustige aanvallen van deze bacteriën op hun microscopische rivalen. De dichtbevolkte, diverse bacteriegemeenschappen waarin ze leven zijn een mengelmoes van antimicrobiële aanvallen, tegenaanvallen en verdedigingsmechanismen.
Ironisch genoeg zijn veel klinisch gebruikte antibiotica rechtstreeks afgeleid van, of geïnspireerd door, moleculen die bacteriën in hun natuurlijke habitat tegen elkaar gebruiken. De chemische wapens van Streptomyces tegen hun concurrenten zijn een van de rijkste bronnen van dergelijke moleculen. Daartoe behoort het veel voorkomende breedspectrummedicijn streptomycine.
Wat deze nieuw ontdekte antibacteriële toxinen anders maakt, is dat, in tegenstelling tot de kleinmoleculaire antibiotica van Streptomyces, paraplu-toxinen grote complexen zijn die uit meerdere eiwitten bestaan. Ze zijn ook veel specifieker in de bacteriën waarop ze zich richten.
De auteurs van het artikel speculeren dat deze eigenschappen van overkoepelende gifstoffen verklaren waarom ze aan ontdekking zijn ontsnapt gedurende meer dan 100 jaar onderzoek naar gifstoffen geproduceerd door Streptomyces.
Genen die coderen voor paraplu-toxines werden oorspronkelijk ontdekt via een bio-informatica-zoektocht naar nieuwe bacteriële toxines. In biochemische en genetische experimenten onder leiding van Qinqin Zhao in het microbiologielaboratorium van Joseph Mougous aan de University of Washington School of Medicine ontdekten de wetenschappers dat deze gifstoffen in een groot complex geassocieerd zijn met andere eiwitten.
Cryo-elektronenmicroscopie van deze eiwitcomplexen werd uitgevoerd door Young Park in het laboratorium van David Veesler, hoogleraar biochemie aan de UW School of Medicine en onderzoeker aan het Howard Hughes Medical Institute.
Uit deze onderzoeken bleek dat de door Qinqin geïsoleerde toxinecomplexen er opvallend uitzagen, passend bij hun ontdekking in Seattle. Ze zien eruit als paraplu's.
"De vorm van deze deeltjes is nogal eigenaardig, en het zal interessant zijn om in toekomstig onderzoek te leren hoe hun ongebruikelijke morfologie hen helpt doelbacteriën te elimineren", zegt Mougous, hoogleraar microbiologie aan de UW School of Medicine en een Howard Hughes Medical Institute. onderzoeker.
De wetenschappers probeerden vervolgens de doelwitten van deze gifstoffen te bepalen door hun effecten te screenen op elk organisme waarop ze zich mogelijk zouden kunnen richten, van schimmels tot 140 verschillende bacteriën, waaronder enkele afkomstig van sorghumplanten in het laboratorium van studieauteur Devin Coleman aan de Universiteit van Californië. Berkeley en de Agricultural Research Service van het Amerikaanse ministerie van landbouw.
Onder deze potentiële tegenstanders richtten de gifstoffen zich specifiek op hun eigen broeders:andere Streptomyces-soorten.
"We denken dat deze voortreffelijke specificiteit te wijten kan zijn aan de eiwitten waaruit de spaken van de paraplu bestaan, die variëren tussen de deeltjes. Deze omvatten eiwitten die zich kunnen hechten aan specifieke suikers die worden aangetroffen op het oppervlak van concurrerende bacteriën", aldus studieauteur S. Brook Peterson, een senior wetenschapper in het Mougous-lab.
Door de duizenden openbaar beschikbare bacteriële genomen te analyseren, ontdekten studieauteurs Dapeng Zhang van de St. Louis Universiteit en zijn afgestudeerde student Youngjun Tan dat veel andere soorten bacteriën ook de genen hebben om overkoepelende deeltjesgifstoffen te produceren. Interessant is dat deze soorten allemaal vertakkende filamenten vormen, een ongebruikelijke groeiwijze onder bacteriën.
Naast de vele vragen die nog moeten worden beantwoord over de fundamentele biologie van overkoepelende toxinedeeltjes, zijn Mougous en zijn collega's geïntrigeerd door hun potentiële klinische toepassingen.
Ze vermoeden dat de bacteriën die tuberculose en difterie veroorzaken mogelijk gevoelig zijn voor paraplutoxines. Ze merken op dat dezelfde bacteriën resistent zijn geworden tegen traditionele antibiotica. Paraplu-toxinedeeltjes zouden de moeite van het onderzoeken waard kunnen zijn, zo suggereerden de wetenschappers, vanwege hun potentieel om deze ernstige ziekteverwekkende bacteriën te onderdrukken.