Ett internationellt team under ledning av Óscar Llorca vid det spanska nationella cancerforskningscentret (CNIO), och gruppen ledd av Sebastian Geibel vid universitetet i Würzburg (Tyskland), rapportera en korrekt 3D-modell av mekanismen som används av bakterien Mycobacterium tuberculosis för att blockera immunsvaret när man infekterar en organism.

Detta efterlängtade fynd publiceras i Natur . I en tid då bakterier i allt högre grad utvecklar resistens mot antibiotika, Att få ett slut på tuberkulosepidemin är en av de mest akuta hälsofrågorna i de mål för hållbar utveckling som fastställts av Förenta Nationernas organisation (FN) för år 2030.

Tuberkulos är en infektionssjukdom med hög dödlighet:Det är en av de tio främsta dödsorsakerna i världen, och drabbar särskilt personer med AIDS och andra immunbrister. Enligt uppgifter från WHO, 10 miljoner människor insjuknade i tuberkulos 2017 över hela världen, och 1,6 miljoner dog. Eftersom den nuvarande behandlingen har använts i 40 år och nya antibiotikaresistenta stammar av sjukdomen växer fram, behovet av nya terapeutiska strategier är akut.

Bakterier mot immunförsvaret

När en organism är infekterad av M. tuberculosis, immunsystemet startar ett komplext svar för att förstöra det. Bakterien har utvecklat flera sofistikerade mekanismer för att undergräva immunförsvaret. Bakterien använder ett sekretionssystem – ett proteinkomplex som finns i dess membran – för att injicera vissa virulensfaktorer i immunsystemets celler. Dessa faktorer är molekyler som förlamar immuncellernas försvarssvar så att bakterier har fria händer att fortsätta att infektera kroppen.

Strukturen och funktionsmekanismen för M. tuberculosis sekretionssystemet, kallas T7SS (typ VII-sekretionssystem), hade inte studerats i detalj. Tills nu, endast mycket lågupplöst strukturell information hade erhållits, som visade en struktur i form av en hexamer (sexuddig stjärna) vars centrum fungerar som en kanal genom vilken bakterien stöter ut virulensfaktorerna. Bristen på information om T7SS och om hur det fungerar på atomnivå har förhindrat framsteg i att uppnå nya terapeutiska strategier mot tuberkulos baserade på att attackera sekretionssystemet.

Nu, forskarna Óscar Llorca och Ángel Rivera-Calzada från CNIO, som bidrog med sin expertis inom kryo-elektronmikroskopi (kryo-EM) och digital bildbehandling, och Sebastian Geibel och Nikolaos Famelis från universitetet i Würzburg, experter på bakteriella sekretionssystem, kombinerade krafter för att reda ut detta pussel. De har nu beskrivit T7SS på atomnivå. Forskarna arbetade med en mycket liknande bakterie, M. smegmatis, som används i forskningen som en modell för att studera M. tuberculosis och som delar samma sekretionssystem med den. Arbetet har visat att T7SS är en sofistikerad nanomaskin där flera proteiner samverkar för att injicera de virulensfaktorer som bakterien producerar i immunsystemets celler.

Mot en ny generation droger

Den senaste utvecklingen har förvandlat cryo-EM till en extremt kraftfull teknologi som möjliggör högupplöst bildåtergivning av molekylära strukturer. Denna teknik påskyndar erhållandet av strukturell information som annars skulle kräva stora volymer av provet eller dess kristallisering. Med denna teknik, molekylärbiologi och biomedicin tar ett enormt kvalitativt steg som förväntas revolutionera utvecklingen av behandlingar av sjukdomar.

I det här pappret, forskarna har hittat alla komponenter i T7SS, och klargjorde funktionen hos några av dem som förblev okända. De har också modellerat dess tredimensionella struktur och föreslagit en driftsmekanism.

"Vi kunde se att de komponenter som hittills verkade suddiga med andra tekniker är, faktiskt, element som är i konstant rörelse, " förklarar Llorca. "Därför, vi såg att hexameren av T7SS är sammansatt av ett subkomplex av 4 proteiner och att 6 identiska kopior av detta subkomplex behövs för att forma den sexuddiga stjärnan runt en central por, genom vilken de virulensfaktorer som blockerar det defensiva svaret hos den infekterade organismen kastas ut." Därefter, den föreslagna mekanismen testades av Würzburg University-gruppen med hjälp av muterade versioner av systemet.

Det system som den tyska gruppen använder för att testa mekanismen är också av stort intresse för forskarvärlden. "Det kommer att vara mycket användbart att testa effekten av nya molekyler riktade mot denna utsöndringsmekanism, som bakterierna av släktet Mycobacterium behöver för att framgångsrikt utföra infektionen, " förklarar Rivera-Calzada.

Denna multidisciplinära studie öppnar ett nytt fält för att utforska för sjukdomar orsakade av bakterieinfektioner, eftersom att känna till de tredimensionella strukturerna av bakteriella sekretionssystem kommer att möjliggöra utforskande av nya föreningar som blockerar sekretion. I nästa steg av denna forskning, teamet från CNIO och universitetet i Würzburg kommer att försöka studera mer på djupet hur utsöndringsprocessen sker i Mycobacterium för att öppna vägen för design av molekyler som kan blockera den.