Onderzoekers van het California NanoSystems Institute van de UCLA zijn de eersten die afbeeldingen hebben gemaakt van de atomaire structuren van drie specifieke biologische nanomachines, elk afgeleid van een andere potentieel dodelijke bacterie - een prestatie waarvan ze hopen dat deze zal leiden tot antibiotica die gericht zijn op specifieke pathogenen.

De wetenschappers gebruikten een geavanceerde technologie genaamd cryo-elektronenmicroscopie, of cryoEM, om de vorm en functie van deze belangrijke structuren te onthullen. Papers over hun bevindingen werden gepubliceerd in drie toptijdschriften: Natuur , Cel , en Natuur Structurele en moleculaire biologie .

Twee van de nanomachines zijn structuren die contractiele uitwerpsystemen worden genoemd. die hun bacteriën gebruiken om giftige moleculen over te brengen naar gezonde cellen om ze voor hun eigen doeleinden toe te eigenen, om rivaliserende bacteriën aan te vallen door er gifstoffen in af te geven, en andere functies. Deze structuren hebben omhulsel-buisassemblages die openingen creëren in de buitenmembranen van doelcellen waardoor ze giftige moleculen kunnen inbrengen.

De derde nanomachine - anders dan de andere twee - is een poriestructuur die dodelijk miltvuurtoxine in zoogdiercellen aflevert, zodra de miltvuurbacterie in de bloedbaan is. Dit mechanisme is hoe miltvuurbacteriën de ziekte activeren bij een geïnfecteerd dier of persoon.

Hoe de nanomachines werken was slecht begrepen, maar de UCLA-onderzoekers gebruikten een cryoEM uitgerust met een speciale camera, een directe elektronendetector genaamd, om zeer gedetailleerde beelden te produceren. De wetenschappers hopen dat de nieuwe informatie over hoe ze functioneren hen in staat zal stellen antibiotica te maken die zich richten op bacteriële pathogenen.

Het team, geleid door Hong Zhou, hoogleraar microbiologie, immunologie en moleculaire genetica, en van chemie en biochemie, runt het Electron Imaging Center for Nanomachines laboratorium, die is gebaseerd op CNSI en huisvest UCLA's Titan Krios elektronenmicroscoop - een zeer geavanceerde en zeldzame cryoEM.

"Als het middelpunt van ons kernlaboratorium voor elektronenmicroscopie, de cryo-elektronenmicroscoop maakt exploratie van nieuw terrein in de moleculaire biologie mogelijk, " zei Jeff Miller, directeur van het California NanoSystems Institute. "Deze ongekende beelden stellen ons in staat om de werkelijke werking van deze opmerkelijke structuren te begrijpen."

miltvuur toxine

In een paper online gepubliceerd door Natuur , Professor Zhou en zijn team meldden dat zij de eersten waren die de atomaire structuur van de miltvuurtoxineporie bepaalden, het belangrijkste ziektemolecuul van Bacillus anthracis, de bacterie die bij mens en dier de ziekte miltvuur veroorzaakt. De atomaire structuur van de anthrax-toxineporie is paddestoelvormig met een poort in de 'schacht'.

De bevinding bevestigt hoe de ziekte cellen aantast. Wanneer gezonde cellen nanoschaalobjecten in het lichaam tegenkomen, ze gaan ervan uit dat de objecten voedingsstoffen zijn en absorberen ze. Als een Trojaans paard, de toxineporie lijkt voor de cellen iets heilzaams - in dit geval een voedingsstof - en wordt opgenomen door de cel. Maar eenmaal in de cel, de porie voelt de verandering naar een meer zure omgeving, die de poort van de porie opent en het miltvuurtoxinemolecuul in de cel vrijgeeft.

"Dit is een zeer belangrijke stap in de richting van het begrijpen van dit mechanisme, en het is essentieel voor elke tegenmaatregel tegen miltvuur, "Zei Zhou. "Het informeert ook ons ​​begrip van de mechanismen van andere gifstoffen die werken als miltvuur, wat zou kunnen leiden tot andere gerichte antibiotica."

Tularemie type VI secretiesysteem

Een andere nanomachine werd beschreven door Dr. Marcus Horwitz, een UCLA hoogleraar geneeskunde en microbiologie, immunologie en moleculaire genetica, die met het team van Zhou werkte. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Cel , de wetenschappers rapporteerden het eerste atomaire resolutiemodel van elk type VI-secretiesysteem, of T6SS, een nanomachine gevonden in ongeveer 25 procent van de gramnegatieve bacteriën.

Gram-negatieve bacteriën zijn verantwoordelijk voor ziekten zoals cholera, salmonellose, Veteranenziekte en melioïdose, en ernstige infecties, waaronder gastro-enteritis, longontsteking en meningitis. Voor de nieuwe studie de wetenschappers onderzochten Francisella tularensis, een bacterie die tularemie veroorzaakt en een grote zorg is als potentieel bioterrorisme-agens.

Opgebouwd uit samenstellende eiwitten, de T6SS-nanomachine heeft een atomaire structuur die lijkt op een zuiger. Wanneer F. tularensis wordt opgenomen in een type witte bloedcel, een macrofaag genaamd, wordt het omgeven door een belachtig membraan, een structuur die bekend staat als een fagosoom. De T6SS-nanomachine assembleert zich vervolgens in de bacterie, waar het een buis door de bacteriewand en het membraan van het fagosoom in het cytoplasma steekt, de stof in de macrofaag. Hierdoor kan de bacterie ontsnappen uit het fagosoom in het cytoplasma, waar het zijn levenscyclus kan voltooien en zich kan vermenigvuldigen. Spoedig, de macrofaag vult zich met bacteriën en scheurt, waardoor de bacteriën vrijkomen om andere cellen te infecteren. Dus, de T6SS is een nieuw doelwit voor antibiotica tegen deze bacterie, en tegen anderen die het gebruiken om te overleven in gastheercellen of om rivaliserende bacteriën te bestrijden.

"We identificeren al medicijnmoleculen die zich richten op de F. tularensis T6SS, " zei Horwitz. "Weten hoe deze structuur werkt, leidt ons bij het selecteren van medicijnmoleculen die de assemblage of functie ervan blokkeren. Het algemene doel is om nieuwe antibiotica te vinden die direct gericht zijn op dit hoogwaardige bioterrorisme-agens en andere gramnegatieve bacteriën met een T6SS zoals Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei, en pathogene Escherichia coli."

Horwitz en zijn team zouden mogelijk ook geneesmiddelen met een breder spectrum kunnen ontwikkelen die werken op veel verschillende gram-negatieve pathogenen die een T6SS gemeen hebben.

Pseudomonas aeruginosa

Bij mensen en dieren, een bacterie genaamd Pseudomonas aeruginosa veroorzaakt infectieziekten die leiden tot algemene ontsteking en sepsis, een gevaarlijke infectie van het bloed. Een team onder leiding van Zhou en Miller ontdekte de atomaire structuren van R-type pyocinen, contractiele uitwerpsystemen van Pseudomonas aeruginosa. Hun bevindingen werden online gepubliceerd door Natuur Structurele en moleculaire biologie .

R-type pyocinen worden door de bacterie gebruikt om hun nanobuisjes snel in te brengen, als stormrammen, in de celmembranen van concurrerende bacteriën om de concurrenten te doden, waardoor Pseudomonas aeruginosa gemakkelijker toegang heeft tot voedingsstoffen. Deze pyocinen lijken een kanaal te creëren in de buitenste envelop van de doelbacteriën, die in wezen werkt om het te verzwakken en te doden. Dit vermogen heeft R-type pyocinen de focus gemaakt van onderzoek naar mogelijke antimicrobiële en bio-engineering toepassingen, en wetenschappers denken dat ze kunnen worden ontwikkeld om medicijnen een krachtige antibacteriële component te geven.

"De R2 pyocine is een buitengewone moleculaire machine die energie uit zijn eigen biologische batterij gebruikt om te functioneren, " zei Molenaar, die ook hoogleraar microbiologie is, immunologie en moleculaire genetica. "Het is ideaal voor het ontwerpen van gerichte antibiotica die de slechte bacteriën doden zonder de beschermende darmbacteriën van een patiënt te verstoren."

De schaarste van de technologie en de expertise die nodig is om het te gebruiken, maken CNSI een van de weinige faciliteiten ter wereld die in staat is om atomaire structuren zoals deze nanomachines af te beelden met een resolutie op atomair niveau, daarom komen onderzoekers van over de hele wereld naar UCLA om het Electron Imaging Center for Nanomachines te gebruiken, een 'fee-for-service'-laboratorium dat openstaat voor elke wetenschapper in de academische wereld of de industrie.

Andere UCLA-onderzoekers die hebben bijgedragen aan de drie papers waren Daniel Clemens, adjunct-hoogleraar geneeskunde; Xuekui Yu, adjunct-assistent-professor microbiologie, immunologie en moleculaire genetica; Peng, een onderzoeksmedewerker; Bai Yu Lee, een geassocieerd onderzoeker; en Jiansen Jiang, een postdoctoraal fellow. Bradley Pentelute van het Massachusetts Institute of Technology, R. John Collier van de Harvard University Medical School, Dean Scholl van AvidBiotics en Petr Leiman van de Ecole Polytechnique Federale de Lausanne's Institute of Physics of Biological Systems waren de andere co-auteurs.