Первые шаги к созданию искусственных бактериальных клеток

Исследователи из Оксфордского университета под руководством профессоров Джудит Армитидж и Дэвида Стюарта сделали первые шаги к созданию бактериальной клетки, способной воспринимать и реагировать на новые внешние сигналы. Они продемонстрировали возможность проектирования синтетических сигнальных цепей внутри клетки, что в перспективе позволит создавать новые биосенсоры.

Способность бактерий реагировать на внешние сигналы — универсальное свойство живых клеток. Эволюция создала множество сигнальных механизмов. Один из важнейших — двухкомпонентная сигнальная цепь, широко используемая бактериями. Она состоит из протеинкиназы (сенсора) и регуляторного белка-партнёра.

Некоторые виды бактерий имеют более 150 различных пар сенсор-регулятор в одной клетке, поэтому специфичность между ними должна быть строго контролируема, чтобы избежать «перекрёстных помех» между сигнальными путями.

Две оксфордские группы объединили экспертизу в структурной биологии и биохимии, чтобы выяснить источник этой специфичности. Они использовали яркие пучки синхротронного излучения Diamond Light Source для проведения рентгеновской кристаллографии, позволяющей визуализировать белки на атомном уровне. С помощью этого метода исследователи определили трёхмерную структуру одного из двухкомпонентных комплексов бактерии Rhodobacter sphaeroides.

Этот комплекс критически важен для процесса хемотаксиса, который контролирует движение бактерии в ответ на химический или питательный градиент в среде. На основе результатов кристаллографии учёные смогли определить конкретные аминокислоты, необходимые для молекулярного распознавания. Они обнаружили, что одна аминокислота на регуляторном белке выступает, как палец, в направлении кармана на сенсоре, позволяя двум белкам плотно соединяться.

Введя этот «палец» в другие регуляторные белки, которые обычно не являются партнёрами для данного сенсора, исследователи смогли изменить их специфичность и перепроектировать путь хемотаксиса.

Это первый случай, когда учёным удалось перепроектировать внутриклеточную часть цепи хемотаксиса. Это открывает путь к созданию специализированных цепей для применения в системной биологии.

«Это значительный шаг на пути к идентификации критического аминокислотного интерфейса, который позволяет различать родственные белки и их партнёров, и шаг к рациональному дизайну белковых сигнальных сетей», — заявила профессор Джудит Армитидж.

«Цель — понять систему настолько хорошо, чтобы можно было изменить её любым желаемым способом», — говорит аспирант Кристиан Белл, работавший над проектом в обеих лабораториях. — «Мечта — синтетическая клетка, которая делает именно то, что вам нужно».