Внеклеточные цитохромовые нанопровода, по-видимому, повсеместно распространены у микробов
Исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме, Института Пастера (Париж) и Университета Вирджинии сообщают, что внеклеточные нанопровода, состоящие из длинной цепи цитохромовых белков, по-видимому, повсеместно распространены у прокариотических микробов — как у бактерий, так и у архей.
Археи считаются древней промежуточной группой между бактериями и более сложными эукариотическими клетками. Новые данные убедительно свидетельствуют, что внеклеточные цитохромовые нанопроводы (ECNs) не уникальны для бактерии Geobacter sulfurreducens, а встречаются у многих прокариот, полагающихся на дальний перенос электронов для метаболизма.
Методы исследования
Исследование, опубликованное в журнале Cell, использовало биоинформатику и определение молекулярной структуры с помощью крио-электронной микроскопии.
Учёные проанализировали генетические наборы данных видов архей, предсказанные иметь мульти-гемовые c-тип цитохромы. С помощью фильтров они идентифицировали цитохромы, которые могут формировать ECNs. Белок должен был:
- Иметь "сигнальную пептидную последовательность" для транспорта к мембране.
- Не иметь трансмембранных регионов.
- Кодироваться вместе с другими мульти-гемовыми цитохромами в том же штамме.
- Не иметь гомологии последовательности с известными белковыми фолдами.
Полученные ECNs
По этим критериям были протестированы три кандидата от экстремальных термофилов. Учёным удалось вырастить ECNs (подтверждённые крио-ЭМ) у двух видов из разных типов:
- Pyrobaculum calidifontis (выделен из наземного горячего источника на Филиппинах). Выращивается при 90°C (194°F). Нанопровод обозначен PcECN.
- Archaeoglobus veneficus (выделен из глубоководного гидротермального источника "Snake Pit" на Срединно-Атлантическом хребте на глубине 3500 м). Выращивается при 75°C (167°F). Нанопровод обозначен AvECN.
Была определена молекулярная структура двух ECNs с разрешением 3.8 и 4.1 Å.
Ключевые сходства
PcECN и AvECN продемонстрировали три поразительных сходства с двумя ECNs у G. sulfurreducens:
- Все четыре ECNs имеют изолированные гемы (белковая оболочка защищает внутренние гемы от взаимодействия с растворителем).
- Каждая цитохромовая единица в четырёх ECNs имеет четыре гемовых сайта.
- Трёхмерный паттерн укладки гемов во всех четырёх ECNs был remarkably similar, несмотря на отсутствие сходства в белковых фолдах у структурно не связанных цитохромов.
Это указывает на эволюционно оптимизированный режим укладки гемов для эффективного переноса электронов в ECNs, недоступных растворителю.
Универсальность паттерна
Поиск в Protein Data Bank показал, что эта же укладка гемов присутствует и в ферментах, переносящих электроны на более короткие расстояния (нитритредуктаза, сульфитредуктаза, NrfB, фотосинтетический цитохром c552, гидроксиламиноксидоредуктаза, комплекс Mtr и три типа оксидоредуктаз).
Таким образом, четырёх-гемовый массивный паттерн является повсеместным в природе, что подтверждает его эволюционную оптимизацию для эффективного переноса электронов.
Распространение среди архей
Гомологи цитохромов ECNs широко распространены среди архей:
- Гомологи PcECN обнаружены в порядке архей Desulfurococcales.
- Гомологи AvECN распространены шире: среди гипертермофильных представителей порядка Archaeoglobales, архей, разлагающих алканы (порядок Syntrophoarchaeales), окислителей метана (семейство Methanoperedenaceae), а также в гигантских мегаплазмидах Borgs, ассоциированных с археями Methanoperedens.
Мотивы аминокислот, вовлечённые в присоединение и координацию гема, хорошо консервированы у этих групп, что предполагает их способность формировать структурно схожие ECNs.
Биоинформатический анализ также указал, что семейство белков AvECN и цитохром семейства c552 из пурпурных серных фотосинтезирующих бактерий, вероятно, имеют общего предка в эволюции.