Биологи разобрались в устройстве «бактериального двигателя»

Белковая «наномашина» комплекса пилей типа IVa работает, наращивая или сокращая растущий из нее «волосок».

Yi-Wei Chang et al., 2016

Ученые из Калифорнийского технологического института впервые выяснили, как действует белковый комплекс бактериальных «волосков», пилей типа IVa, которые помогают клеткам перемещаться, цепляясь за субстрат. Изящный механизм быстрого удлинения или сокращения белковых нитей требует согласованной работы более десятка больших молекул. Описание этой структуры опубликовано в журнале Science.

Поверхность многих бактерий покрыта множеством тонких «волосков» — гибких и длинных белковых цилиндров. Бактериальные пили (ворсинки) различаются по форме, структуре, и выполняют разные функции, включая обмен ДНК между клетками. Пили типа IVа обеспечивают прикрепление к субстрату, участвуют в формировании биопленок. Прочно связанные с клеткой, они удлиняются, «нащупывая» субстрат, с которым связываются, после чего начинают сокращаться и тянут ее вперед, как лебедка. Совместная работа пилей позволяет бактериям быстро перемещаться.

Структуры всех ключевых белков, из которых образован комплекс пилей типа IVa (Type 4 Protein Machine, T4PM), уже установлены. Однако механизм их работы, который обеспечивает быстрое наращивание или сокращение длины белкового цилиндра, удалось выяснить лишь теперь. Для этого профессор Калифорнийского технологического института Грант Дженсен (Grant Jensen) и его коллеги использовали ГМ-линии почвенных бактерий Myxococcus xanthus, которые были неспособны синтезировать те или иные белки T4PM, либо несли связанные с этими белками метки. Рассмотрев их пили с помощью криоэлектронной томографии, ученые установили механизм действия этой сложной белковой машины.




Выяснилось, что комплекс T4PM пронизывает всю оболочку бактерии грамотрицательной бактерии, включающую две клеточные мембраны. Пору внешней мембраны образует белок PilQ (на иллюстрации коричневая). Три белка TsaP (желтые) формируют кольцо с внутренней стороны поры, между внешней и плазматической мембранами. В области пептидогликановой клеточной стенки (темно-серая) они переходят в кольцо белков PilP (красные), а далее — в связанные с плазматической мембраной белки PilO и PilN (голубые и синие). Основу комплекса составляет цитоплазматическое кольцо белков PilМ (сиреневый), внутри которого находится ключевая деталь всей машины, белок PilC (оранжевый), вращающийся, опираясь на белок PilB (зеленый). В работе T4PM участвует также около десятка малых белков.

Сам «волосок» пилей начинается с PilC и сквозь белковые кольца вытягивается наружу, складываясь из сотен субъединиц протеина PilA (на иллюстрации — изумрудные). При наращивании длины этой нити гидролиз АТФ заставляет PilB менять конформацию и проворачивать PilC, который вращает всю нить PilA и открывает сайт для присоединения к ее основанию еще одной субъединицы PilA. Так, наращиваясь по спирали, пили быстро удлиняются.

При замене одной ключевой детали на другую (белка PilC на PilT) вся наномашина начинает работать в обратном направлении, проворачивая нить в противоположную сторону и удаляя субъединицы PilA одну за другой. Это процесс сокращает пили и тянет бактерию вперед.

«Бактерии принято считать „простыми“ клетками; однако, такое представление отражает лишь нашу собственную ограниченность, не их, — сказал Грант Дженсен в интервью пресс-службе Калифорнийского технологического института. — Прежде у нас просто не было технологий, которые позволили бы раскрыть всю красоту их наномашин — огромных комплексов из многих копий десятка или более разных белков, выполняющих самые сложные функции».

Роман Фишман

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.