En av de många hemligheterna bakom bakteriers framgång är deras förmåga att försvara sig mot virus, så kallade fager, som infekterar bakterier och använder sina cellulära maskiner för att göra kopior av sig själva.
Teknologiska framsteg har möjliggjort nyligen identifiering av proteinerna som är involverade i dessa system, men forskare gräver fortfarande djupare i vad dessa proteiner gör.
I en ny studie har ett team från Ohio State University rapporterat om den molekylära sammansättningen av ett av de vanligaste antifagsystemen – från familjen av proteiner som kallas Gabija – som beräknas användas av minst 8,5 %, och upp till 18 % av alla bakteriearter på jorden.
Forskare fann att ett protein verkar ha kraften att avvärja en fag, men när det binder till ett partnerprotein är det resulterande komplexet mycket skickligt på att klippa genomet från en invaderande fag för att göra den oförmögen att replikera.
"Vi tror att de två proteinerna behöver bilda komplexet för att spela en roll i fagförebyggande, men vi tror också att ett protein ensamt har en viss antifagfunktion", säger Zhangfei Shen, medförfattare till studien och postdoktor. i biologisk kemi och farmakologi vid Ohio State College of Medicine. "Det andra proteinets fullständiga roll måste studeras ytterligare."
Fynden bidrar till den vetenskapliga förståelsen av mikroorganismers evolutionära strategier och kan en dag översättas till biomedicinska tillämpningar, säger forskare.
Shen och co-lead författare Xiaoyuan Yang, en Ph.D. student, arbetar i labbet hos seniorförfattaren Tianmin Fu, biträdande professor i biologisk kemi och farmakologi vid Ohio State.
Studien publicerades den 16 april i Nature Structural &Molecular Biology .
De två proteinerna som utgör detta försvarssystem kallas Gabija A och Gabija B, eller förkortat GajA och GajB.
Forskare använde kryoelektronmikroskopi för att bestämma de biokemiska strukturerna för GajA och GajB individuellt och av det som kallas ett supramolekylärt komplex, GajAB, som skapas när de två binder till ett kluster som består av fyra molekyler från varje protein.
I experiment med Bacillus cereus-bakterier som modell, observerade forskare komplexets aktivitet i närvaro av fager för att få insikt i hur försvarssystemet fungerar.
Även om GajA ensamt visade tecken på aktivitet som kunde inaktivera en fags DNA, var komplexet den bildade med GajB mycket effektivare för att säkerställa att fager inte skulle kunna ta över bakteriecellen.
"Det är den mystiska delen," sa Yang. "Enbart GajA är tillräckligt för att klyva fagkärnan, men det bildar också komplexet med GajB när vi inkuberar dem tillsammans. Vår hypotes är att GajA känner igen fagens genomiska sekvens, men GajB förstärker den igenkänningen och hjälper till att skära fagens DNA. "
Den stora storleken och långsträckta konfigurationen av komplexet gjorde det svårt att få den fullständiga bilden av GajB:s funktionella bidrag när de var bundna till GajA, sa Shen, och lämnade teamet att göra några antaganden om proteinroller som ännu inte har bekräftats.
"Vi vet bara att GajB hjälper till att förbättra GajA-aktiviteten, men vi vet ännu inte hur det fungerar eftersom vi bara ser cirka 50 % av det på komplexet," sa Shen.
En av deras hypoteser är att GajB kan påverka koncentrationsnivån för en energikälla, nukleotiden ATP (adenosintrifosfat), i den cellulära miljön - specifikt genom att driva ner ATP vid upptäckt av fagens närvaro. Det skulle ha den dubbla effekten av att utöka GajA:s fag-DNA-inaktiverande aktivitet och stjäla energi som en fag skulle behöva för att börja replikera, sa Yang.
Det finns mer att lära sig om bakteriella antifagförsvarssystem, men detta team har redan visat att blockering av virusreplikation inte är det enda vapnet i bakteriearsenalen. I en tidigare studie beskrev Fu, Shen, Yang och kollegor en annan försvarsstrategi:bakterier programmerar sin egen död snarare än att låta fager ta över ett samhälle.
Mer information: Xiao-Yuan Yang et al, Molecular basis of Gabija anti-phage supramolecular assemblies, Nature Structural &Molecular Biology (2024). DOI:10.1038/s41594-024-01283-w
Journalinformation: Naturstruktur och molekylärbiologi
Tillhandahålls av Ohio State University
