Forskare har upptäckt giftiga proteinpartiklar, formade som paraplyer, som jordbakterier kända som Streptomyces utsöndrar för att dämpa konkurrenter, särskilt andra av deras egen art.
Upptäckten av paraplytoxinpartiklarna och relaterad information om deras strukturer, sammansättning och verkningssätt publicerades i Nature .
Paraplytoxinproteinerna är det senaste exemplet på dessa bakteriers varierande, stridbara slag mot deras mikroskopiska rivaler. De trånga, olika bakteriesamhällena där de lever är en närkamp av antimikrobiella attacker, motangrepp och försvar.
Ironiskt nog kommer många kliniskt använda antibiotika direkt från, eller är inspirerade av, molekyler som bakterier använder mot varandra i sin naturliga livsmiljö. Streptomyces kemiska vapen mot sina konkurrenter är en av de rikaste källorna till sådana molekyler. Bland dem finns det vanliga bredspektrumläkemedlet streptomycin.
Det som skiljer dessa nyupptäckta antibakteriella toxiner är att paraplytoxiner, till skillnad från Streptomyces småmolekylära antibiotika, är stora komplex som består av flera proteiner. De är också mycket mer specifika i de bakterier de riktar sig mot.
Författarna till artikeln spekulerar i att dessa egenskaper hos paraplytoxiner förklarar varför de undgick upptäckt för mer än 100 års forskning om gifter som producerats av Streptomyces.
Gener som kodar paraplytoxiner upptäcktes ursprungligen genom en bioinformatisk sökning efter nya bakteriella toxiner. I biokemiska och genetiska experiment ledda av Qinqin Zhao i Joseph Mougous mikrobiologilabb vid University of Washington School of Medicine, lärde sig forskarna att dessa toxiner är associerade med andra proteiner i ett stort komplex.
Kryoelektronmikroskopi av dessa proteinkomplex utfördes av Young Park i laboratoriet av David Veesler, professor i biokemi vid UW School of Medicine och en utredare vid Howard Hughes Medical Institute.
Dessa studier visade att de toxinkomplex som Qinqin isolerade antar ett slående utseende som anstår deras upptäckt i Seattle. De ser ut som paraplyer.
"Formen på dessa partiklar är ganska märklig, och det kommer att vara intressant i framtida arbete att lära sig hur deras ovanliga morfologi hjälper dem att eliminera målbakterier", konstaterade Mougous, professor i mikrobiologi vid UW School of Medicine och ett Howard Hughes Medical Institute utredare.
Forskarna försökte sedan bestämma målen för dessa toxiner genom att screena deras effekter på varje organism de kunde tänkas rikta in sig på, från svampar till 140 olika bakterier, inklusive några tagna från sorghumväxter i labbet av studieförfattaren Devin Coleman vid University of California- Berkeley och U.S. Department of Agriculture Agricultural Research Service.
Bland dessa potentiella motståndare riktade gifterna sig specifikt mot sina egna bröder:andra Streptomyces-arter.
"Vi tror att denna utsökta specificitet kan bero på de proteiner som utgör paraplyets ekrar, som varierar mellan partiklarna. Dessa inkluderar proteiner som kan haka fast på specifika sockerarter som finns på ytan av konkurrerande bakterier," kommenterade studieförfattaren S. Brook Peterson, senior vetenskapsman i Mougous-labbet.
Genom att analysera de tusentals allmänt tillgängliga bakteriegenomerna fann studieförfattarna Dapeng Zhang från St. Louis University och hans doktorand Youngjun Tan att många andra bakteriearter också har generna för att tillverka paraplypartikelgifter. Intressant nog bildar alla dessa arter förgrenade filament, ett ovanligt tillväxtsätt bland bakterier.
Förutom de många frågor som återstår att besvara om paraplytoxinpartiklarnas grundläggande biologi, är Mougous och hans kollegor fascinerade av deras potentiella kliniska tillämpningar.
De misstänker att bakterierna som orsakar tuberkulos och difteri kan vara känsliga för paraplygifter. De noterar att samma bakterier har blivit resistenta mot traditionella antibiotika. Paraplytoxinpartiklar kan vara värt att utforska, föreslog forskarna, för deras potential att bekämpa dessa allvarliga sjukdomsframkallande bakterier.
Mer information: Joseph Mougous et al, Streptomyces paraplytoxinpartiklar blockerar hyftillväxt hos konkurrerande arter, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07298-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07298-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Washington School of Medicine
