Белковая машинерия дыхания стала видимой

Кислород и сахар — основа жизни для животных, растений, грибов и многих бактерий. Метаболический процесс, называемый дыханием, позволяет преобразовывать пищу в энергию для клеток. Биохимик проф. д-р Карола Хунте и её команда из кластера передового опыта CIBSS Фрайбургского университета впервые с беспрецедентной точностью визуализировали, как устроен и функционирует комплекс белковых машин, который также снабжает энергией человека.

Команда изучала два дыхательных комплекса, слитых в суперкомплекс, у группы бактерий, называемых актинобактериями. Помимо фундаментального прояснения процессов дыхания, криоэлектронная микроскопия может помочь в разработке новых лекарств для лечения туберкулёза или дифтерии. «Эти изображения похожи на путешествие в наши молекулярные внутренние механизмы и их своеобразные правила, — объясняет Хунте. — Выяснение структуры одновременно проливает свет на то, как работает суперкомплекс». Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications и были получены в сотрудничестве с д-ром Бруно Клаольцем, научным руководителем Центра интегративной биологии (CBI) / Института генетики и молекулярной и клеточной биологии (IGBMC) CNRS, Inserm и Страсбургского университета (Франция).

Энергетическая валюта клетки

Аденозинтрифосфат (АТФ) — это энергетическая валюта клетки. Молекула образуется в процессе дыхания и передаёт энергию от пищи всем процессам в клетке. Благодаря процессам в дыхательной цепи аденозиндифосфат превращается в богатый энергией АТФ. Для этого белковые комплексы дыхательной цепи создают электрохимическую движущую силу через мембрану с помощью электронов и протонов в сложном химико-физическом процессе, который питается сжиганием сахара.

«Мы проанализировали дыхательный суперкомплекс цитохром bcc-aa₃. Двадцать шесть белков составляют эту белковую машину. Точное взаимодействие молекулярных сил и динамики ещё недостаточно понятно, и здесь такая детальная картина помогает нам», — объясняет первый автор исследования д-р Вэй-Чунь Као из команды Хунте. Протонная помпа комплекса очень похожа на человеческую, обнаружили исследователи, но часть, где электроны принимаются переносчиком электронов хиноном, показывает явные различия у бактерии. «Здесь мы могли бы вмешаться и разработать специфические агенты, которые убивают патогенные актинобактерии, такие как Mycobacterium tuberculosis или Corynebacterium diphtheriae, вмешиваясь в дыхательную цепь», — добавляет Хунте.

Криогенный микроскоп с атомарным разрешением

Криогенная электронная микроскопия (Cryo-EM) — это метод исследования образцов при низких температурах -183 °C в высокоразрешающем микроскопе, который позволяет визуализировать структуры на уровне отдельных атомов. В процессе используются алгоритмы машинного обучения для дальнейшего уточнения собранных данных. «С этими данными мы также можем лучше понять взаимодействие метаболизма и сигналинга, что является особым фокусом в кластере передового опыта CIBSS», — подчёркивает Хунте. Она входит в руководящую группу CIBSS, которая разрабатывает интегративные подходы к исследованиям биологической сигнализации. Измерения методом Cryo-EM проводились в CBI/IGBMC в Страсбурге/Илькирхе.