Как бактерии прикрепляются к клетчатке в кишечнике

Исследователи раскрыли новый молекулярный механизм, с помощью которого бактерии прикрепляются к волокнам целлюлозы в кишечнике человека. Благодаря двум различным режимам связывания они могут выдерживать силы сдвига в организме. Учёные из Базельского университета и ETH Zurich опубликовали результаты в журнале Nature Communications.

Целлюлоза — основной строительный блок клеточных стенок растений, состоящий из молекул, связанных в твёрдые волокна. Для человека целлюлоза не переваривается, и большинство кишечных бактерий не имеют ферментов для её расщепления.

Однако недавно генетический материал целлюлозоразрушающей бактерии R. champanellensis был обнаружен в образцах кишечника человека. Колонизация кишечника бактериями важна для физиологии человека, и понимание того, как они прикрепляются к целлюлозе, расширяет знания о микробиоме и его связи со здоровьем.

Изучаемая бактерия использует сложную сеть каркасных белков и ферментов на внешней клеточной стенке, называемую целлюлосомной сетью, для прикрепления и разрушения волокон целлюлозы. Эти сети удерживаются вместе семействами взаимодействующих белков.

Особый интерес представляет взаимодействие когезин-докерин, ответственное за закрепление целлюлосомной сети на клеточной стенке. Это взаимодействие должно выдерживать силы сдвига в организме, чтобы удерживаться на волокне. Это ключевое свойство побудило исследователей детальнее изучить, как якорный комплекс реагирует на механические силы.

Используя комбинацию атомно-силовой микроскопии одиночных молекул, флуоресценции одиночных молекул и молекулярного динамического моделирования, профессор Майкл Нэш из Базельского университета и ETH Zurich вместе с коллегами из LMU Munich и Обернского университета изучили, как комплекс сопротивляется внешней силе.

Два режима связывания позволяют бактериям прилипать к поверхностям под потоком

Они смогли показать, что комплекс демонстрирует редкое поведение, называемое двойным режимом связывания, когда белки образуют комплекс двумя различными способами. Исследователи обнаружили, что два режима имеют очень разные механические свойства: один разрывается при низких силах около 200 пиконьютонов, а другой демонстрирует гораздо более высокую стабильность, разрываясь только при 600 пиконьютонах.

Дальнейший анализ показал, что белковый комплекс демонстрирует поведение, называемое "ловушечной связью" (catch bond), означающее, что взаимодействие белков усиливается по мере увеличения силы. Считается, что динамика этого взаимодействия позволяет бактериям прикрепляться к целлюлозе при сдвиговом напряжении и высвобождать комплекс в ответ на новые субстраты или для исследования новых сред.

"Мы чётко наблюдаем двойные режимы связывания, но можем только строить догадки об их биологическом значении. Мы думаем, что бактерии могут контролировать предпочтение режима связывания, модифицируя белки. Это позволило бы переключаться с состояния низкой адгезии на состояние высокой адгезии в зависимости от среды", — объясняет профессор Нэш.

Проливая свет на этот природный механизм адгезии, эти результаты открывают путь для разработки искусственных молекулярных механизмов, демонстрирующих схожее поведение, но связывающихся с мишенями болезней. Такие материалы могут найти применение в биомедицинских суперклеях на основе биологических компонентов или в усиленном сдвигом связывании терапевтических наночастиц внутри организма. "Пока же мы с нетерпением ждём возвращения в лабораторию, чтобы посмотреть, что прилипнет", — говорит Нэш.