Ученые опровергли старую догму: ранее считалось, что механизмы формирования и внедрения белков у простых организмов (бактерий-прокариот) и высших клеток (эукариот, включая дрожжи и человека) принципиально отличаются. Новое исследование доказало, что базовые биохимические процессы удивительно похожи. Фундаментальное открытие меняет представления о клеточной эволюции и может принести много пользы в защите здоровья человека, сельхозживотных и растений.
Совместная команда Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) и Университета Мюнхена (LMU) впервые смогла полностью реконструировать и визуализировать путь мембранных белков от момента их зарождения в рибосоме бактерии до успешной интеграции в клеточную оболочку. Исследование опубликовано в журнале The EMBO Journal.
Клеточная мембрана содержит большое количество белков, выполняющих самые разнообразные функции. Некоторые служат транспортными каналами, направляя вещества внутрь клетки или выводя клеточные продукты из нее. Другие являются рецепторами, которые обнаруживают сигналы управления и запускают процессы в клетке. Эти белки свернуты в сложные трехмерные структуры, причем специфическая форма необходима для функционирования белка.
Для многих исследователей оставался без ответа один вопрос: как белки, производимые рибосомами — «фабриками» клеток — внутри клетки, достигают своего положения внутри мембраны в правильной форме, и когда эти процессы сформировались в ходе эволюции?
Профессор доктор Алексей Кедров, руководитель группы синтетических мембранных систем в Университете имени Генриха Гейне, сказал: «Внутриклеточная среда сильно отличается от среды мембраны. В водной среде внутри клетки гидрофобные белки агрегируют с другими молекулами, прежде чем достигнут целевого участка. Поэтому необходимы специальные механизмы встраивания».
Профессор Алексей Кедров описывает фундаментальную физическую проблему клетки: водоотталкивающие (гидрофобные) белки не могут самостоятельно перемещаться по водному содержимому цитоплазмы. Без специального «эскорта» они мгновенно слипнутся в бесполезные комки, так и не добравшись до оболочки клетки.
Суть молекулярного механизма, о котором говорит профессор, заключается в молекулярной дилемме. Цитоплазма клетки состоит в основном из воды. Мембранные белки «любят» жиры (липиды) и «боятся» воды. Оказавшись в воде, такие белки стремятся спрятать свои гидрофобные участки, сворачиваясь неправильно и склеиваясь друг с другом.
Как клетка решает эту проблему? Чтобы белок успешно встроился в мембрану, бактерии и высшие клетки используют специализированные системы защиты:
Молекулярные шапероны. Специальные белки-помощники (белки сопровождения). Они мгновенно «окутывают» гидрофобные участки новорожденного белка сразу после его выхода из рибосомы, изолируя их от воды.Сигнальные частицы (SRP): комплексы, которые распознают «адресную метку» на белке, связываются с ним и работают как безопасный транспортный контейнер.Транслоконы. Белковые каналы-«ворота» в самой мембране. Они принимают защищенный белок от шаперонов и аккуратно разворачивают его непосредственно внутрь жирового слоя мембраны.«Зарождающиеся белки транспортируются от рибосом к мембране. На следующем этапе они встраиваются в мембрану с помощью специальных ферментов, называемых «инсертазами», к которым относятся так называемый транслокон Sec и вспомогательные белки, такие как YidC. Только там они достигают своего окончательного свернутого состояния. До настоящего времени предполагалось, что встраивание происходит исключительно через отверстие в транслоконе — «боковые ворота». Однако подтвердить это с помощью методов визуализации не удавалось. В последних исследованиях эукариот (высших клеток с ядром) был обнаружен альтернативный путь в мембрану, где мембранные белки встраиваются через заднюю часть транслокона («заднюю часть Sec»)», поясняет исследователь.
Именно исследовательская группа Кедрова стояла у истоков работы. Проект был запущен, чтобы проверить, существует ли у простых бактерий тот же механизм встраивания белков, который ранее нашли у высших организмов.
Ученые в Университете Генриха Гейне искусственно воссоздали сложные рибосомно-мембранные комплексы. Затем их коллеги в Университете Мюнхена заморозили и детально изучили образцы с помощью криоэлектронной микроскопии (Cryo-EM), получив снимки со сверхвысоким разрешением и поймали момент сворачивания. Исследователи зафиксировали точную секунду, когда белок начинает принимать свою правильную трехмерную форму в процессе прохождения через мембрану.
Макс Буш, докторант в группе под руководством Кедрова и ведущий автор исследования, сказал: «Впервые нам удалось показать полный путь от зарождающихся мембранных белков в рибосоме до их встраивания в мембрану. Мы также увидели, когда формируются трехмерные свернутые структуры белков».
«Полученные результаты позволяют лучше понять процессы сворачивания мембранных белков. «И мы можем узнать кое-что об эволюционном развитии этих процессов, которые важны для клеток. Подобный процесс, как известно, существует и в других организмах, таких как дрожжи. Таким образом, мы можем определить, когда этот процесс сформировался в процессе развития живых организмов и сохранился на протяжении истории», — сказал Кедров.
Ещё одной задачей группы под руководством Кедрова является дальнейшее и более детальное изучение процесса встраивания мембранных белков, опираясь на полученные к настоящему времени результаты. Особое внимание будет уделено уточнению роли других участвующих белков.
Обнаруженное сходство между механизмами бактерий и, например, дрожжевых клеток доказывает, что этот важнейший клеточный конвейер сформировался на самых ранних этапах зарождения жизни на Земле и за миллиарды лет эволюции остался неизменным. Помимо эволюционного значения, понимание точной биохимии бактериальных мембран критически важно для медицины, так как именно мембранные белки чаще всего становятся мишенями для разработки новых антибиотиков и лекарств.
Для сельского хозяйства открытие имеет огромное фундаментальное и прикладное значение для сельского хозяйства. Хотя само исследование относится к молекулярной биологии, мембранные белки бактерий определяют то, как микроорганизмы взаимодействуют с окружающим миром.
Понимание точного механизма встраивания этих белков открывает новые возможности в нескольких аграрных сферах.
1. Защита растений от бактериальных болезней. Многие опасные фитопатогены (например, бактерии рода Xanthomonas, вызывающие бактериальный ожог риса или зерновых) используют мембранные белки как «оружие». С их помощью они прикрепляются к листьям, пробивают клеточную стенку растения и выкачивают питательные вещества. Зная, как именно бактерия собирает свои мембранные белки, ученые могут разработать специфические пестициды нового поколения или антибактериальные белки. Они будут блокировать процесс сборки мембраны патогена, не вредя самому растению.
2. В современном земледелии активно используют полезные почвенные бактерии (ризобактерии). Они фиксируют азот из воздуха, переводят фосфор в доступную для корней форму и защищают растения от засухи. Чтобы закрепиться на корне растения, бактерии необходимы специальные мембранные белки-рецепторы. Точное понимание биосинтеза мембранных белков позволяет создавать или отбирать более эффективные штаммы биоудобрений, которые будут прочнее удерживаться на корнях культурных растений и лучше снабжать их питательными веществами.
3. В сельском хозяйстве и пищевой промышленности бактерии используются как «живые фабрики» для производства кормовых добавок, витаминов, ферментов и аминокислот. Главная проблема биотехнологов — заставить бактерию не просто произвести нужный белок внутри себя, а успешно вывести его наружу через клеточную мембрану. Детальная визуализация «конвейера» по интеграции белков в мембрану помогает ученым оптимизировать бактериальные штаммы. Это значительно увеличит выход полезных веществ на биозаводах и снизит стоимость производства ветеринарных препаратов и кормов.
4. Ветеринария и защита скота. Как и у растений, у сельскохозяйственных животных (коров, свиней, птицы) мембранные белки бактерий часто являются главными антигенами, вызывающими тяжелые инфекции. Данное исследование облегчает создание противомикробных вакцин нового поколения, помогая моделировать устойчивые мембранные мишени в лабораторных условиях.
С использование информации из статьи Анн Вансинг, опубликованной Университетом Генриха Гейне в Дюссельдорфе.