Ett internationellt team ledd av forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) använde banbrytande bildbehandling för att fånga en proteinpump som fungerar i realtid. Fynden avslöjade hur bakterier skickar proteiner ut ur cellen, en mekanism kopplad till bakteriell patogenes och biofilmbildning. Bakterieutsöndringssystem är också av intresse inom bioteknik och medicin, eftersom de kan användas för att leverera terapeutiska proteiner till specifika målceller.

Gramnegativa bakterier kan skicka ut proteiner genom sina yttre membran via en stor molekylär maskin som kallas typ II-sekretionssystemet (T2SS). Denna pump består av cirka 15 proteinkomponenter som fungerar tillsammans som en spruta, vilket gör att bakterier kan skicka ut effektorproteiner till sin omgivning.

"Med hjälp av kryo-elektronmikroskopi kunde vi avbilda denna multiproteinsammansättning, kallad sekretin, på molekylär nivå. Sekretinet bildar kanalen som effektorproteinerna skjuts ut genom", förklarade Dr. Daniel Depo, första författare på tidningen och en postdoktor vid OIST.

En av utmaningarna med att avbilda biologiska strukturer är att hålla dem så nära deras ursprungliga tillstånd som möjligt. Detta är särskilt viktigt för proteinkomplex som sekretinet, som är dynamiska strukturer som ständigt genomgår konformationsförändringar.

"Det som skiljer vår studie från tidigare är att vi avbildade sekretinet när det fungerar, i en process som kallas kryo-fällning", säger Dr. Depo. "Detta tillvägagångssätt tillåter oss att fånga en serie ögonblicksbilder genom de olika stegen i sekretionscykeln."

Forskarna använde en kombination av avbildningstekniker, inklusive enpartikelkryo-EM och höghastighets atomkraftsmikroskopi för att fånga sekretinets struktur och funktion. Resultaten avslöjade hur sekretinet bildar en gated kanal och hur det interagerar med effektorproteiner för att möjliggöra effektiv utsöndring av proteiner ut ur cellen.

"Mekanismen för proteinutsöndring i gramnegativa bakterier har studerats i decennier", säger professor James Hurley, senior författare på tidningen och chef för OIST:s Molecular Cryo-Imaging Facility. "Denna utsöndringsprocess spelar en viktig roll i hur bakterier interagerar med sin omgivning, som att orsaka sjukdomar hos växter eller djur. Genom att förstå mekanismerna på molekylär nivå hoppas vi få insikt i nya strategier för att utveckla läkemedel för att hämma dessa. processer."

Denna forskning, publicerad i Nature Communications, öppnar nya vägar för att förstå strukturen och funktionen av T2SS och kommer att hjälpa till i den pågående utvecklingen av nya terapeutiska strategier inriktade på sekretionsvägen.