Nieuw onderzoek werpt licht op hoe verschillende bacteriesoorten complexe nano-harpoenen kunnen bouwen met verschillende eiwitbouwstenen. Bacteriën gebruiken deze harpoenen, Type VI-secretiesystemen genaamd, om gifstoffen in nabijgelegen cellen te injecteren. Onderzoekers van de Universiteit van Sheffield ontdekten dat hoewel de eiwitten varieerden, er waren structureel vergelijkbare delen die in wisselwerking stonden met de machines.

Bacteriën produceren complexe nano-harpoenen op hun celoppervlak. Een van hun functies is om te harpoenen en gifstoffen te injecteren in nabijgelegen cellen. Het produceren van zo'n complex wapen vereist veel verschillende bewegende componenten die wetenschappers nog steeds proberen te begrijpen. Onderzoekers van de Universiteit van Sheffield hebben enkele van Diamond's kristallografiebundellijnen gebruikt om een ​​bijzonder raadselachtig stukje van deze kleine puzzel te begrijpen. Het team onder leiding van David Rice en Mark Thomas werkte aan een eiwitcomponent van de harpoen, TssA genaamd, waarvan ze al wisten dat het een integraal onderdeel van de machine was.

Echter, in tegenstelling tot de andere componenten van de harpoen, er zijn verschillende varianten van het TssA-eiwit die aan één uiteinde van het eiwit radicaal verschillende aminozuursequenties bevatten. Het team toonde aan dat de structuren van het variabele gebied van twee verschillende TssA-subeenheden volledig los van elkaar stonden en dat ze konden assembleren tot duidelijk verschillende multisubeenheid-complexen in termen van hun grootte en geometrie. Dit riep de vraag op hoe verschillende bacteriën dit eiwit met verschillende structuren konden gebruiken om een ​​harpoen te produceren met dezelfde functie voor alle soorten. Ze ontdekten dat ondanks deze verschillen, er was een zeer specifiek geconserveerd gebied aan het andere uiteinde van het eiwit. Ze veronderstellen dat het geconserveerde gebied het deel is dat het werk doet en de harpoen helpt te functioneren, terwijl het variabele gebied als een steiger fungeert. Ze gebruikten I02, I03 en I24 in hun studie en zijn van plan om vervolgonderzoek te doen met behulp van röntgenkristallografie en Cryo-EM, zoals die in het eBIC-centrum in Diamond. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Bacteriële nano-harpoenen en het raadselachtige TssA-eiwit

Biologische oorlogsvoering in bacteriën is relatief goed bekend. Een groep bacteriën wil een schaars goed voor zichzelf annexeren, dus produceren ze een toxine waar ze immuun voor zijn en doden ze potentiële indringers. Echter, sommige bacteriën nemen een meer gerichte aanpak. In plaats van gifstoffen uit te spuwen in het extracellulaire milieu, ze monteren miniatuur harpoenen op hun buitenste oppervlak en zwemmen rond en injecteren gifstoffen rechtstreeks in potentiële agressors of concurrenten. Dit is geen overdrijving of een metafoor, op dit moment zwemmen bacteriën rond en harpoeneren elkaar letterlijk dood. Deze harpoenen worden type VI-secretiesystemen (T6SS's) genoemd en sinds hun ontdekking in 2005 hebben onderzoekers over de hele wereld geprobeerd deze miniatuur technische prestatie te begrijpen.

De samenstelling en complexiteit van deze moleculaire machines vormen perfecte problemen voor structurele biologie en veel van de eiwitcomponenten van deze machines zijn onderzocht met behulp van röntgenkristallografie of cryo-elektronenmicroscopie. Onderzoek heeft aangetoond dat het hele systeem bestaat uit een eiwitcomplex dat een grote kamer vormt die verankerd is in het membraan. Dit houdt een geslepen buis vast die wordt uitgeworpen zodra een omhulsel eromheen samentrekt tegen een eiwitbasisplaat aan de basis van de kamer, de harpoen afvuren op een nietsvermoedende buurman.

Hoewel er veel wordt begrepen over T6SS's, er zijn nog steeds enkele kritische componenten die raadselachtig blijven, een daarvan is het TssA-eiwit.

Veel onderzoeken hebben aangetoond dat dit eiwit een integraal onderdeel is van de T6SS-machinerie, maar onderzoek naar het DNA dat codeert voor dit eiwit laat zien dat dat tussen soorten, er is veel variatie. Variatie is normaal gesproken niet wenselijk bij eiwitten die een essentiële functie hebben, als je een recept hebt dat werkt, het is geen goed idee om plotseling een aanzienlijk deel ervan te veranderen. Dit riep enkele vragen op, wat doet het TssA-eiwit en welk effect hebben deze variaties op de functie?

Hoe werkt het TssA-eiwit?

Het onderzoeksteam begon met een analyse van de aminozuursamenstelling van vier verschillende TssA-eiwitten. Ze ontdekten dat als ze de eiwitsequenties in een lijn legden, de linkerkant of N-terminus was altijd erg vergelijkbaar, en de rechterkant of C-terminus varieerde veel. Het team vroeg zich af of deze verschillen zouden voorkomen dat het TssA-eiwit een interactie aangaat zoals verwacht met de andere eiwitten die nodig zijn om de bacteriële harpoen te bouwen. Ze voerden laboratoriumtests uit en ontdekten dat in feite, het TssA-eiwit interageerde precies zoals verwacht met bijna alle andere componenten van de harpoen. Om te begrijpen waarom, ze maakten verschillende reizen naar Diamond om de I02 te gebruiken, I03 en I24 bundellijnen voor macromoleculaire kristallografie. Door de gegevens van de verschillende TssA-eiwitten te analyseren, bleek dat ze heel verschillende structuren hadden. Dit had niet alleen invloed op hoe afzonderlijke eiwitten eruit zagen, maar ook hoe ze met elkaar interageerden om multisubunit-complexen te vormen.

Het onderzoeksteam was al op de hoogte van een gepubliceerde structuur van het eiwit dat zich bij montage tot een 6-ledige ring vormde. Echter, hun nieuwe studies onthulden dat verschillende versies van het TssA-eiwit 5-ledige of 16-ledige ringen kunnen vormen. Ondanks de verschillen, alle TssA-eiwitten hadden een structureel geconserveerd deel dat zich altijd aan de buitenkant van assemblagecomplexen bevond. Dit bracht het onderzoeksteam tot de hypothese dat het deze geconserveerde sectie was die betrokken was bij het functioneren van de bacteriële harpoen. Ze redeneerden dat de rest van het eiwit dat alle variatie bevatte, fungeerde als een steiger om de werkende eenheid van het eiwitcomplex vast te houden.

Wat brengt de toekomst?

Hoewel het bewijs overtuigend is, is er nog meer werk aan de winkel. Professor David Rice zei dat "de toekomst van dit werk is om meer voorbeelden van verschillende bacteriesoorten te krijgen en kristallografiegegevens te combineren met Cryo-EM-technieken." Uiteindelijk wil het team de structuur en functie van het hele T6SS-complex van verschillende bacteriën onderzoeken om te controleren of hun hypothese klopt. Ze zijn van plan om röntgenkristallografie te gebruiken bij bundellijnen zoals I03, I24 evenals de nieuw gebouwde VMXi. Ze zijn ook van plan om Cryo-EM te gebruiken, dat ook beschikbaar is in het eBIC-centrum van Diamond. De combinatie van deze complementaire structurele biologietechnieken zal de onderzoekers in staat stellen een completer beeld op te bouwen van hoe dit complexe stuk nanomachinerie is opgebouwd en hoe het functioneert.

De gebruikte technieken kunnen ook andere onderzoekers met soortgelijke vragen informeren. Eerdere gegevens hadden gesuggereerd dat het TssA-eiwit een homoloog was van een basisplaateiwit dat in bacteriofaag wordt aangetroffen. Dit onderzoek toonde aan dat dit niet alleen niet het geval was, maar dat de TssA-eiwitten erg van elkaar verschilden en wetenschappers er aanvankelijk toe hadden geleid de functie ten onrechte toe te wijzen. Gedetailleerd werk aan de eiwitsequenties, interactiestudies en zorgvuldige structurele biologie-experimenten stelden het onderzoeksteam uit Sheffield in staat een nauwkeuriger beeld te krijgen van dit belangrijke microbiële wapen.

Het onderzoek is ook van groot belang voor scheikundigen en ingenieurs die zich door de bacteriën kunnen laten inspireren om zelf nanomachines te maken. Er zijn mogelijke toepassingen in infectiebeheersing waarbij de harpoenen het doelwit kunnen zijn van nieuwe medicijnen om bacteriën uit te schakelen die ze gebruiken bij het veroorzaken van infecties. Er zijn ook toepassingen bij medicijnafgifte waarbij de harpoenen kunnen worden gebruikt om peptide- en eiwitgeneesmiddelen in specifieke doelcellen te injecteren. Op een meer fundamenteel niveau, gewoon begrijpen hoe zo'n kleine en complexe bewegende machine kan worden geconstrueerd en hoe deze functioneert, zou ons op een dag kunnen helpen om onze eigen machine te bouwen.