Forskare vid UCLA:s California NanoSystems Institute har blivit de första att producera bilder av atomstrukturerna hos tre specifika biologiska nanomaskiner, var och en härstammar från en annan potentiellt dödlig bakterie – en prestation som de hoppas ska leda till antibiotika riktade mot specifika patogener.

Forskarna använde en ledande teknologi som kallas kryoelektronmikroskopi, eller cryoEM, att avslöja formen och funktionen hos dessa viktiga strukturer. Uppsatser om deras resultat publicerades i tre topptidskrifter: Natur , Cell , och Naturens strukturella och molekylära biologi .

Två av nanomaskinerna är strukturer som kallas kontraktila ejektionssystem, som deras bakterier använder för att överföra giftiga molekyler till friska celler för att tillskansa sig dem för sina egna syften, att attackera rivaliserande bakterier genom att leverera gifter till dem, och andra funktioner. Dessa strukturer har hölje-rör som skapar öppningar i de yttre membranen av målceller genom vilka de kan infoga giftiga molekyler.

Den tredje nanomaskinen – som skiljer sig från de andra två – är en porstruktur som levererar dödligt mjältbrandstoxin till däggdjursceller, när mjältbrandsbakterien är i blodomloppet. Denna mekanism är hur mjältbrandsbakterier aktiverar sjukdomen hos ett infekterat djur eller en person.

Hur nanomaskinerna fungerar hade varit dåligt förstått, men UCLA-forskarna använde en cryoEM utrustad med en speciell kamera som kallas en direkt elektrondetektor för att producera mycket detaljerade bilder. Forskarna hoppas att den nya informationen om hur de fungerar kommer att göra det möjligt för dem att skapa antibiotika som riktar sig mot bakteriella patogener.

Laget, ledd av Hong Zhou, professor i mikrobiologi, immunologi och molekylär genetik, och av kemi och biokemi, driver laboratoriet Electron Imaging Center for Nanomachines, som är baserat på CNSI och inrymmer UCLA:s Titan Krios elektronmikroskop – ett mycket sofistikerat och sällsynt cryoEM.

"Som mittpunkten i vårt kärnlabb för elektronmikroskopi, kryoelektronmikroskopet möjliggör utforskning av nytt territorium inom molekylärbiologi, " sa Jeff Miller, direktör för California NanoSystems Institute. "Dessa oöverträffade bilder gör det möjligt för oss att förstå hur dessa anmärkningsvärda strukturer fungerar."

Mjältbrand toxin

I en tidning publicerad online av Natur , Professor Zhou och hans team rapporterade att de var de första att fastställa atomstrukturen av mjältbrands-toxinporen, den största sjukdomsmolekylen av Bacillus anthracis, bakterien som orsakar sjukdomen mjältbrand hos människor och djur. Mjältbrandstoxinporens atomstruktur är svampformad med en grind inuti "schaktet".

Fyndet bekräftar hur sjukdomen påverkar celler. När friska celler möter föremål i nanoskala i kroppen, de antar att föremålen är näringsämnen och absorberar dem. Som en trojansk häst, toxinporen verkar för cellerna som något fördelaktigt - i det här fallet, ett näringsämne — och tas upp av cellen. Men väl inne i cellen, poren känner av förändringen till en surare miljö, som öppnar porens port och släpper ut mjältbrandstoxinmolekylen i cellen.

"Detta är ett mycket viktigt steg mot att förstå denna mekanism, och det är viktigt för alla mjältbrandsmotåtgärder, " sade Zhou. "Det informerar också vår förståelse av mekanismerna för andra toxiner som fungerar som mjältbrand, som kan leda till andra riktade antibiotikaläkemedel."

Tularemi typ VI sekretionssystem

En annan nanomaskin beskrevs av Dr Marcus Horwitz, en UCLA professor i medicin och mikrobiologi, immunologi och molekylär genetik, som arbetade med Zhous team. I en studie publicerad i tidskriften Cell , forskarna rapporterade den första atomupplösningsmodellen av något typ VI-sekretionssystem, eller T6SS, en nanomaskin som finns i ungefär 25 procent av gramnegativa bakterier.

Gramnegativa bakterier är ansvariga för sjukdomar som kolera, salmonellos, Legionärssjukdom och melioidos, och allvarliga infektioner inklusive gastroenterit, lunginflammation och hjärnhinneinflammation. För den nya studien, forskarna undersökte Francisella tularensis, en bakterie som orsakar tularemi och är av stor oro som ett potentiellt bioterrorismmedel.

Byggd av komponentproteiner, T6SS nanomaskinen har en atomstruktur som liknar en kolv. När F. tularensis tas upp i en typ av vita blodkroppar som kallas makrofager omges den av ett bubbelliknande membran, en struktur som kallas en fagosom. T6SS nanomaskinen monteras sedan inuti bakterien, där den störtar ett rör genom bakterieväggen och fagosomens membran in i cytoplasman, ämnet inuti makrofagen. Detta gör det möjligt för bakterien att fly från fagosomen in i cytoplasman, där den kan fullborda sin livscykel och föröka sig. Snart, makrofagen fylls med bakterier och spricker, frigör bakterierna att infektera andra celler. Således, T6SS är ett nytt mål för antibiotika mot denna bakterie, och mot andra som använder det för att överleva i värdceller eller för att bekämpa rivaliserande bakterier.

"Vi identifierar redan läkemedelsmolekyler som riktar sig mot F. tularensis T6SS, ", sade Horwitz. "Att veta hur denna struktur fungerar vägleder oss i att välja läkemedelsmolekyler som blockerar dess sammansättning eller funktion. Det övergripande målet är att hitta nya antibiotika som direkt riktar sig mot detta bioterrorismmedel i toppskiktet och andra gramnegativa bakterier med en T6SS som Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei, och patogen Escherichia coli."

Horwitz och hans team kan potentiellt också utveckla läkemedel med bredare spektrum som fungerar på många olika gramnegativa patogener som har en T6SS gemensamt.

Pseudomonas aeruginosa

Hos människor och djur, en bakterie som heter Pseudomonas aeruginosa orsakar infektionssjukdomar som leder till generaliserad inflammation och sepsis, en farlig infektion i blodet. Ett team ledd av Zhou och Miller upptäckte atomstrukturerna hos pyociner av R-typ, kontraktila ejektionssystem av Pseudomonas aeruginosa. Deras resultat publicerades online av Naturens strukturella och molekylära biologi .

Pyociner av R-typ används av bakterien för att snabbt föra in sina nanorör, som slagvädurar, in i cellmembranen hos konkurrerande bakterier för att döda konkurrenterna, ger Pseudomonas aeruginosa lättare tillgång till näringsämnen. Dessa pyociner verkar skapa en kanal i det yttre höljet av målbakterien, som i huvudsak verkar för att försvaga och döda den. Denna förmåga har gjort pyociner av R-typ till fokus för forskning om möjliga antimikrobiella och biotekniska tillämpningar, och forskare tror att de skulle kunna konstrueras för att ge läkemedel en kraftfull antibakteriell komponent.

"R2-pyocinet är en extraordinär molekylär maskin som använder energi från sitt eget biologiska batteri för att fungera, sa Miller, som också är professor i mikrobiologi, immunologi och molekylär genetik. "Den är idealisk för att utveckla riktade antibiotika som dödar de dåliga bakterierna utan att störa en patients skyddande tarmbakterier."

Bristen på tekniken och den expertis som behövs för att använda den gör CNSI till en av världens få anläggningar som kan avbilda atomära strukturer som dessa nanomaskiner på atomär nivåupplösning, det är därför forskare från hela världen kommer till UCLA för att använda Electron Imaging Center for Nanomachines, ett avgiftsfritt laboratorium öppet för alla forskare inom den akademiska världen eller industrin.

Andra UCLA-forskare som bidrog till de tre artiklarna var Daniel Clemens, adjungerad professor i medicin; Xuekui Yu, adjungerad biträdande professor i mikrobiologi, immunologi och molekylär genetik; Peng Ge, en forskarassistent; Bai-Yu Lee, en biträdande forskare; och Jiansen Jiang, en postdoktor. Bradley Pentelute från Massachusetts Institute of Technology, R. John Collier från Harvard University Medical School, Dean Scholl från AvidBiotics och Petr Leiman från Ecole Polytechnique Federale de Lausannes Institute of Physics of Biological Systems var de andra medförfattarna.