Открыт бактериофаг, способный пронзать хвостом самые стойкие бактерии

Недавнее исследование, опубликованное в Journal of Biological Chemistry, раскрыло секрет эволюционного чуда: бактериофага с чрезвычайно длинным хвостом.

Этот необычный хвост является частью бактериофага, который живет в негостеприимных горячих источниках и охотится на одни из самых сильных бактерий на планете.

Бактериофаги — это группа вирусов, которые заражают и реплицируются в бактериях и являются самыми распространенными и разнообразными на Земле.

Бактериофаги, или сокращенно фаги, есть везде, где есть бактерии, включая грязь и воду вокруг вас, а также в микробной экосистеме вашего собственного организма, — сообщила Эмили Аньелло, аспирант Медицинской школы Университета Массачусетса Чан и ведущий автор исследования.

В отличие от многих вирусов, заражающих людей и животных, которые содержат только один отсек, фаги состоят из хвоста, прикрепленного к шипастой, похожей на призму белковой оболочке, в которой содержится их ДНК.

Хвосты фагов, как и прически, различаются по длине и стилю: одни длинные и упругие, другие короткие и жесткие. В то время как большинство фагов имеют короткие, микроскопические хвосты, у «бактериофага Рапунцель» P74-26 хвост в 10 раз длиннее, чем у большинства других, и составляет почти 1 микрометр в длину, что примерно соответствует ширине шелка некоторых пауков. Название „Рапунцель“ происходит из сказки, в которой девушка с очень длинными волосами была заперта в башне злой ведьмой.

Брайан Келч, доцент кафедры биохимии и молекулярной биотехнологии в UMass Chan, который руководил работой, описал P74-26 как «чудовищный хвост».

Хвосты фагов важны для прокалывания бактерий, которые покрыты плотной, вязкой субстанцией. Длинный хвост P74-26 позволяет ему проникать и заражать самые крепкие бактерии. P74-26 не только обладает чрезвычайно длинным хвостом, но и является самым устойчивым фагом, что позволяет ему существовать и заражать бактерии, живущие в горячих источниках, температура которых может достигать 170° F. Исследователи изучают P74-26, чтобы выяснить, почему и как он может существовать в таких экстремальных условиях.

Для работы с фагом, который процветает при таких высоких температурах, Аньелло пришлось изменить условия своих экспериментов, чтобы заставить хвост фага собраться в пробирке. Келч сказал, что Аньелло создала систему, с помощью которой она могла вызвать быструю самосборку хвоста.

Каждый хвост фага состоит из множества мелких строительных блоков, которые собираются вместе и образуют длинную трубку. Наше исследование показало, что эти строительные блоки могут менять форму, или конформацию, по мере того, как они собираются вместе, — говорит Аньелло.

— Это изменение формы важно для того, чтобы строительные блоки могли соединяться друг с другом и формировать правильную структуру хвостовой трубки.

Исследователи использовали высокомощные методы визуализации, а также компьютерное моделирование и обнаружили, что строительные блоки хвоста опираются друг на друга, чтобы стабилизировать себя.

Мы использовали метод криоэлектронной микроскопии, который представляет собой огромный микроскоп, позволяющий делать тысячи снимков и коротких видеороликов при очень большом увеличении, — объяснила Аньелло.

— Сделав множество снимков хвостовых трубок фага и сложив их вместе, мы смогли выяснить, как именно строительные блоки соединяются друг с другом.

Они обнаружили, что P74-26 использует механизм «шарик и гнездо» для фиксации себя. Кроме того, хвост сформирован из вертикально уложенных колец молекул, которые образуют полый канал.

Мне нравится думать об этих строительных блоках фага, как о Лего, — сказал Келч.

— У Лего есть шипы с одной стороны и отверстия или гнезда с другой.

Он добавил:

Представьте себе Лего, в котором гнезда сначала закрыты. Но когда вы начинаете строить из лего, гнезда начинают открываться, чтобы позволить шпилькам на других лего собрать более крупную конструкцию. Это движение является важным способом саморегуляции сборки строительных блоков фага.

Келч отметил, что, по сравнению с большинством фагов, P74-26 использует вдвое меньше строительных блоков для формирования укладочных колец, из которых состоит хвост.

Мы думаем, что произошло то, что какой-то древний вирус соединил свои строительные блоки в один белок. Представьте, что два маленьких кирпичика Лего сплавлены в один большой кирпич без швов. Этот длинный хвост построен из более крупных и прочных строительных блоков, — объясняет Келч.

— Мы думаем, что это может стабилизировать хвост при высоких температурах.

Теперь исследователи планируют использовать генетические манипуляции для изменения длины хвоста фага и посмотреть, как это изменит его поведение.

Фаги обитают почти во всех уголках земного шара и имеют важное значение для различных отраслей, таких как здравоохранение, охрана окружающей среды и безопасность продуктов питания. Более того, длиннохвостые фаги, такие как P74-26, были использованы в предварительных клинических испытаниях для лечения некоторых бактериальных инфекций.

Бактериофаги вызывают все больший интерес как альтернатива антибиотикам для лечения бактериальных инфекций, — заключила Аньелло.

— Изучая сборку фагов, мы можем лучше понять, как эти вирусы взаимодействуют с бактериями, что может привести к разработке более эффективных методов лечения на основе фагов. … Я верю, что изучение уникальных, интересных вещей может привести к находкам и применениям, которые мы пока даже не можем себе представить.

14.03.2023