Самое четкое изображение живой кишечной палочки помогло понять архитектуру ее мембраны

С помощью атомно-силовой микроскопии высокого разрешения ученым впервые удалось получить микрофотографии живой клетки E.coli в рекордно высоком разрешении и более подробно изучить архитектуру внешней мембраны. Оказалось, что белки внешней мембраны расположены гораздо более плотно, чем предполагалось ранее, и образуют статичную пористую структуру. А эластичность такой мембране придают скопления липополисахаридов, которые подобно каплям воды могут разделяться или сливаться. Эти данные могут помочь в будущем найти уязвимости грамотрицательных бактерий к антибиотикам. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Грамотрицательные бактерии, в том числе E.coli, окружены внешней мембраной, которая защищает клетку от иммунной системы животных, обеспечивает механическую стабильность клетки и не пропускает многие классы антибиотиков, которые наиболее эффективны именно внутри клетки. Мембрана с внутренней части состоит из фосфолипидов, а с внешней из липополисахаридов, в которых находятся белки внешней мембраны (разнообразные белки со структурой бета-цилиндра, чаще всего порины). Тем не менее, до сих пор не было ясно, как именно архитектура белков и липидов на поверхности клетки образует защитный барьер.

Группа ученых из Великобритании под руководством Джорджины Бенн (Georgina Benn) из Лондонского центра нанотехнологий с помощью атомно-силовой микроскопии получила фотографии поверхности живой клетки кишечной палочки в высоком разрешении, оценила структуру внешней мембраны и проследила динамику белковых и липополисахаридных доменов.

Чтобы получить изображение целой клетки в высоком разрешении, исследователи для начала сканировали отдельные ее части, а затем сопоставили отдельные фазовые сканирования, учитывая их положение и характеристики поверхности, и склеили их в единое изображение

.

Они обнаружили, что большая часть поверхности клетки пористая, а сами поры образованы тримерами порина. С помощью делеции гена активатора транскрипции поринов OmpF и OmpC выяснилось, что именно OmpF образует почти статичную плотную сеть, промежутки которой заполнены липополисахаридами, причем судя по всему в жидкой фазе, поэтому они способны сливаться друг с другом и разделяться. Они напоминают капли, которые на 0,5-1 нанометров выступают над сетью, образуя бугристую поверхность. Статическая природа пориновой сети примечательна, так как внешняя мембрана расширяется и перестраивается во время роста и деления клетки. Исследователи предполагают, что именно скопления липополисахаридов обеспечивают достаточную эластичность мембраны, которая не препятствует быстрому росту и делению клетки.

Наличие областей, обогащенных липополисахаридами, предполагает возможность внедрения новых компонентов мембраны, потенциально ими могут стать фосфолипиды. При нормальной работе клетки фосфолипиды транспортируются с поверхности клетки к фосфолипидному слою, если туда попадают, через путь Mla или гидролизуются фосфолипазой PldA. Делеция pldA и нарушение пути Mla привело к 25-кратному увеличению фосфолипидов по сравнению с диким типом, а микрофотографии с атомно-силового микроскопа демонстрируют выраженное изменение структуры поверхности клетки, так как на ней образовываются новые домены фосфолипидов. Также оказалось, что именно штамм с двойной делецией наиболее чувствителен к умеренным концентрациям SDS-EDTA.

Понимание структурных особенностей внешней мембраны потенциально может помочь в исследованиях взаимодействий всех компонентов поверхности клетки, а также в оценке того, как чувствительность бактерий к различным препаратам зависит от структуры внешней мембраны.

Устойчивость или невосприимчивость бактерий к антибиотикам — насущная проблема, но ученые уже изобрели соединение, показавшее свою эффективность против грамотрицательных бактерий. Кроме того, в 2020 году обнаружили антибиотик широкого спектра действия, против которого у бактерий еще не выработалась резистентность, а резистентные бактерии победили старыми антибиотиками с помощью наночастиц, активируемых светом.

Анастасия Сверкунова