Атомная визуализация и ИИ раскрывают новые детали движения паразита, вызывающего сонную болезнь

Миллионы людей во всем мире страдают от африканской сонной болезни, болезни Шагаса и других опасных для жизни инфекций, вызываемых микроскопическими паразитами, переносимыми насекомыми, такими как муха цеце.

Каждый из этих одноклеточных паразитов — Trypanosoma brucei и его родственники — имеет один жгутик, похожий на кнут отросток, который необходим для движения, заражения хозяев и выживания в разных средах.

Исследовательская группа из Калифорнийского наносистемного института (CNSI) в UCLA применила передовую атомную визуализацию и моделирование на основе ИИ, чтобы создать самую подробную на сегодняшний день 3D-карту жгутика Trypanosoma brucei. Исследование, опубликованное в журнале Science, идентифицировало 154 различных белка, из которых состоит жгутик, включая 40 уникальных для паразита.

Зафиксировав молекулярные моторы, которые приводят в движение паразита в ключевом переходном состоянии, исследователи разработали новую модель того, как он плавает в крови и тканях. Эти результаты проливают свет на критический механизм, необходимый для выживания Trypanosoma brucei, передачи хозяевам и развития болезни. Детальный вид жгутиков паразита может помочь в разработке методов лечения вызываемых ими заболеваний.

"Наше исследование предоставляет полную молекулярную схему структурного каркаса жгутика, объясняя, как его движение приводится в действие на атомном уровне... Используя структурное моделирование на основе ИИ, мы обнаружили уникальные, специфичные для паразита белки, которые вносят вклад в архитектуру и функцию жгутика", — сказал соавтор-корреспондент З. Хонг Чжоу.

Как паразит был картирован с помощью криоЭМ

Использованная в исследовании методика визуализации — криогенная электронная микроскопия (cryoEM), при которой замороженные биологические образцы исследуются электронами для выявления деталей, невозможных для захвата видимым светом. Карты, полученные с помощью cryoEM, были дополнительно проанализированы с использованием инструментов искусственного интеллекта, таких как алгоритм предсказания формы белка на основе составляющих его аминокислот.

Ученые обнаружили, что крошечные мотороподобные структуры в жгутике микроба создают движение, действуя согласованно, подобно тому, как гребцы в лодке-драконе синхронизируют свои гребки, чтобы двигаться по воде.

"Trypanosoma эволюционировали, развив специализированное движение, чтобы выжить как в мухе цеце, так и в человеческой крови, что делает их жгутик центральной особенностью их биологии. Понимая, как их уникальные структурные особенности способствуют движению, мы получаем представление о фундаментальных аспектах адаптации паразита и взаимодействия с хозяином", — сказал соавтор-корреспондент Кент Хилл.

Потенциальные будущие последствия

Сонная болезнь изначально проявляется лихорадкой, головной болью, болью в суставах и зудом. После того как паразит достигает центральной нервной системы, болезнь может прогрессировать, вызывая тяжелые неврологические симптомы.

Исследование может предоставить потенциальные мишени для терапий, эффективно уничтожающих паразита или блокирующих его передачу людям, а также дать подсказки о том, как бороться с болезнями, вызываемыми другими родственными микробами.

Помимо медицинского лечения, новые данные об этом малоизученном микробе могут иметь такие последствия, как прояснение деталей более ранних этапов эволюции и вдохновение инженеров, которые заимствуют идеи у природы для своих проектов.