Амилоиды чаще всего ассоциируются с болезнью Альцгеймера. Эти бесформенные белки, встречающиеся по всему человеческому организму, прилипают к нервным клеткам, словно налет, нарушая их работу и способствуя развитию нейродегенеративных заболеваний.

Однако, как показало новое исследование Университета Колорадо, опубликованное в журнале Nature, эти «дурно прославившиеся» белки играют ключевую роль и для бактерий в окружающей среде, помогая им отражать атаки хищных бактерий.

Мы выяснили, что бактерии вокруг нас используют амилоиды как молекулярные доспехи, — говорит старший автор работы, доцент кафедры биохимии Аарон Уайтли.

По его словам, понимание механизмов бактериальной защиты может в перспективе дать новые способы борьбы с опасными микробами в больницах или на пищевых производствах.

Кроме того, это исследование проливает свет на работу нашей собственной иммунной системы.

Многие элементы нашей иммунной системы зародились в бактериях больше миллиарда лет назад. Если мы поймем, как бактерии используют эти гены, мы лучше поймем, как их использует человек, и, возможно, создадим новые методы лечения, — объясняет Уайтли.

Война микровселенной

В последние годы ученые активно изучают, как бактерии защищаются от вирусов-бактериофагов. Именно эти исследования привели к открытию CRISPR — технологии редактирования генов, удостоенной Нобелевской премии. Гораздо меньше внимания уделялось тому, как бактерии сражаются со своими «собратьями-хищниками».

В новой работе Уайтли и его коллега Ханна Ледвина сосредоточились на одном безжалостном хищнике — бактерии Bdellovibrio bacteriovorus, или «Бделло». Этот микроб-каннибал проникает внутрь других бактерий, высасывает из них питательные вещества до самой смерти жертвы, а затем отправляется на поиски новой.

Бделло повсюду: в воде, почве, даже у нас во рту.

Для человека они, как правило, безвредны, но смертельно опасны для болезнетворных бактерий, — говорит Уайтли. — Даже кишечная палочка должна опасаться этой хищной бактерии.

Считалось, что против Бделло другие бактерии практически бессильны, что делает его перспективным кандидатом для биологической борьбы с инфекциями. Но Уайтли задался вопросом: а есть ли те, кто дает отпор и побеждает? И если да, то как?

Доспехи из амилоида

Чтобы это выяснить, команда собрала коллекцию штаммов кишечной палочки из разных уголков мира: из кишечника ящерицы, мочевого тракта пациента в Швеции, экскрементов леопардов и кенгуру.

Затем они выпустили на них Бделло.

Результат нас поразил, — признается Уайтли. — Оказалось, что примерно треть штаммов устойчива к Бделло.

С помощью современных микроскопов ученые увидели, как именно происходит защита. Изображения четко показали, что устойчивые штаммы полностью покрывают себя амилоидным белком курли, который похож, но не идентичен амилоидам при болезни Альцгеймера.

Последующие генетические исследования подтвердили, что бактерии используют курли для защиты и от других хищных бактерий.

Мы считаем, что те самые свойства, которые делают амилоиды проблемой для людей — их прочность и устойчивость к разрушению, — делают их идеальными доспехами для бактерий, защищающими от самых разных угроз, — утверждает Уайтли.

Познай своего врага

Исследование также предполагает, что амилоиды помогают бактериям формировать биопленки — тонкие, но прочные слои, которые образуются на медицинских инструментах, имплантатах, промышленном оборудовании и служат источником инфекций. Сейчас биопленки часто просто соскребают с поверхностей.

Но Уайтли подозревает, что у Бделло и других хищных бактерий, возможно, есть собственные генетические инструменты или особые ферменты, способные разрушить эту броню.

Там, где идет война между организмами, всегда происходит биохимическое открытие, — говорит он.

Сейчас команда пытается определить, что это за инструменты, способные «взломать» защиту. Это знание может помочь в разработке новых методов борьбы с устойчивостью к антибиотикам или с такими заболеваниями, как Альцгеймер. Пока бактерии в окружающей среде сражаются друг с другом, ученые внимательно следят за этой битвой.

Если мы поймем, что делает эту броню такой прочной и как хищникам удается ее преодолеть, это может иметь огромные последствия для здоровья человека, — заключает Уайтли.

Реальная польза этого исследования носит многоуровневый характер.

• Во-первых, оно открывает новый фронт в борьбе с бактериальными биопленками — основной причиной внутрибольничных инфекций и поломок оборудования. Понимание того, как хищные бактерии вроде Бделло разрушают амилоидную защиту, может привести к созданию ферментов или пептидов, разъедающих эти пленки, что стало бы альтернативой антибиотикам и агрессивной механической очистке.
• Во-вторых, работа дает уникальный инструмент для фундаментальной науки. Белок курли — это модельная система для изучения амилоидов в целом. Наблюдая, как бактерии контролируют его сборку и разборку, мы можем узнать больше о механизмах, которые в организме человека дают сбой, приводя к болезни Альцгеймера или Паркинсона. Это путь к поиску веществ, способных регулировать образование опасных амилоидных бляшек.
• Наконец, исследование расширяет наше понимание эволюции иммунитета. Устойчивые штаммы — живой пример «гонки вооружений» на микроуровне. Расшифровка их защитных стратегий может подсказать новые принципы создания противомикробных препаратов, действующих более точечно и изощренно, чем классические антибиотики.

Отметим, что исследование проводилось на отдельных штаммах E. coli в контролируемой среде. Однако в природе, будь то почва, водоем или человеческий организм, бактерии существуют в сложных многовидовых сообществах — микробиомах. В таких условиях взаимодействия гораздо сложнее. Хищник Бделло может атаковать не одну, а несколько видов бактерий, а те, в свою очередь, могут защищаться коллективно, выделяя разные вещества или меняя среду. Устойчивость, продемонстрированная в чашке Петри, может оказаться не столь эффективной в условиях конкурентного микробного социума. Поэтому следующий ключевой шаг — проверка этих механизмов в более сложных, приближенных к естественным, экосистемах.

Ранее ученые установили фермент, усугубляющий болезни мозга.