Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) forskare i München, Tyskland, har karakteriserat den fysiska mekanismen som gör det möjligt för en utbredd bakteriell patogen att fästa vid vävnaderna hos sin mänskliga värd.

Bakteriella patogener har utvecklat mycket effektiva strategier som gör det möjligt för dem att fästa sig vid målceller och nischer i vävnaderna hos sina värdorganismer. De använder till och med relativt okända fysiska principer, som en ny studie i tidskriften Vetenskap demonstrerar. I samarbete med forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign, Lukas Milles och professor Hermann Gaub vid Fysiska fakulteten vid LMU har avslöjat mekanismen som tillåter bakterien Staphyloccus epidermidis att binda så ihärdigt till värdvävnader. Verkligen, teamet har inte bara identifierat den fysiska grunden för interaktionen, men karakteriserade också vidhäftningsmekanismen i oöverträffad detalj.

Denna bedrift möjliggjordes av det nya tvådelade tillvägagångssättet som användes i studien. Forskarna använde atomkraftsmikroskopi för att mäta bindningskraften mellan ett stafylokockadhesionsprotein (SdrG från Staphylococcus epidermidis) och dess besläktade ligand (fibrinogen β) på enkelmolekylnivå in vitro, och beräknade bidragen från alla atomer som är involverade i interaktionen i silico, med hjälp av en särskilt kraftfull superdator. "Detta innovativa paradigm ger insikter som tidigare var ouppnåeliga, " påpekar Gaub. För att dissekera vidhäftningsmekanismen, Blue Waters superdator vid University of Illinois, med sina 900, 000 processorer en av de mest avancerade i världen, utförde detaljerade simuleringar av molekylär dynamik. Envisheten i interaktionen överraskade laget. "Den mekaniska bindningskraften som håller samman komponenterna i ett enda komplex uppgår till mer än 2 nanonewton (nN). Detta är ett extraordinärt värde för en icke-kovalent interaktion, jämförbar med styrkan hos de kovalenta bindningarna mellan atomer, vilka är de mest stabila molekylära bindningarna vi känner till, säger Gaub.

Studien visar att, tack vare interaktionens geometri, adhesionsproteinet bildar ett tätt nätverk av icke-kovalenta vätebindningar med sin ligand. Dessutom, detta nätverk medieras av peptidbindningarna som utgör proteinets repeterande ryggrad, snarare än de variabla sidokedjorna som differentierar dess aminosyrasubenheter. Det stora antalet lokala interaktioner som är involverade leder till en förstyvning av varje vätebindning, vilket ger upphov till vad fysiker kallar "en kooperativ skjuvgeometri". "Den här typen av struktur tål extrema påfrestningar, eftersom alla individuella bindningar måste brytas på en gång för att separera komplexet, " som Lukas Milles förklarar. Mekanismen är analog med samspelet mellan de många små krokarna och öglorna på två kardborrband, som är extremt svåra att separera när de dras från motsatta ändar. "Bakterien använder sig av en mycket ovanlig mekanism, vilket är både extremt komplicerat och mycket effektivt, och ger patogenen en avgörande fördel, " säger Gaub. Eftersom mekanismen är baserad på peptidryggraden i de interagerande molekylerna, som är gemensamt för alla proteiner, denna stabilitetsnivå kan uppnås i samspel med ett brett spektrum av mål. Med andra ord, den extremt höga mekaniska styrkan hos interaktionen är till stor del oberoende av både aminosyrasekvensen hos adhesionsproteinet och målpeptidens biokemiska egenskaper.

Stafylokocker är ansvariga för ett brett spektrum av infektioner hos djur och människor. "Patogena bakterier binder till målmolekyler på värdceller med ovanlig uthållighet, och detta har sin grund i fysiska principer. I sökandet efter sätt att blockera invasiva infektioner, en bättre förståelse för de fysiska principerna som är involverade är avgörande, säger Hermann Gaub. Alltså, den nya studien lägger grunden för utvecklingen av nya terapier för behandling av stafylokockinfektioner.