Целлюлоза – это основной строительный блок стенок растительных клеток, состоящий из молекул, связанных вместе в твердые волокна. Для человека целлюлоза неперевариваема, и большинству кишечных бактерий не хватает ферментов, необходимых для расщепления целлюлозы.
Однако недавно генетический материал от разрушающей целлюлозу бактерии R. Champanellensis был обнаружен в образцах кишечника человека. Бактериальная колонизация кишечника важна для физиологии человека, и понимание того, как кишечные бактерии прикрепляются к целлюлозе, расширяет наши знания о микробиоме и его связи со здоровьем человека.
Исследуемая бактерия использует сложную сеть каркасных белков и ферментов на внешней клеточной стенке, называемую целлюлосомной сетью, для прикрепления и разрушения целлюлозных волокон. Эти целлюлосомные сети удерживаются вместе семействами взаимодействующих белков.
Особый интерес представляет взаимодействие когезин-докерин, ответственное за прикрепление целлюлосомной сети к клеточной стенке. Это взаимодействие должно выдерживать поперечные силы в теле, чтобы прилипать к волокну. Эта жизненно важная особенность побудила исследователей более подробно изучить, как анкерный комплекс реагирует на механические силы.
Используя комбинацию атомно-силовой микроскопии одиночных молекул, флуоресценции одиночных молекул и моделирования молекулярной динамики, профессор Майкл Нэш из Базельского университета и ETH Zurich вместе с сотрудниками из LMU Munich и Auburn University изучили, как комплекс сопротивляется внешней силе.
Два режима связывания позволяют бактериям прилипать к поверхностям под потоком
Они смогли показать, что комплекс проявляет редкое поведение, называемое режимом двойного связывания, когда белки образуют комплекс двумя различными способами. Исследователи обнаружили, что эти два режима связывания имеют очень разные механические свойства: один разрушается при малых силах около 200 пиконьютонов, а другой демонстрирует гораздо более высокую стабильность, ломается только при 600 пиконьютонах силы.
Дальнейший анализ показал, что белковый комплекс демонстрирует поведение, называемое «захватывающая связь», что означает, что взаимодействие белков становится сильнее по мере увеличения силы. Считается, что динамика этого взаимодействия позволяет бактериям прилипать к целлюлозе под действием напряжения сдвига и высвобождать комплекс в ответ на новые субстраты или исследовать новые среды.
"Мы четко наблюдаем режимы двойного связывания, но можем только предполагать их биологическое значение. Мы думаем, что бактерии могут контролировать предпочтительный способ связывания, изменяя белки.
Это позволит переключаться с низкого на высокий уровень адгезии в зависимости от окружающей среды », – объясняет профессор Нэш.
Эти открытия проливают свет на этот естественный механизм адгезии и создают основу для разработки искусственных молекулярных механизмов, которые демонстрируют аналогичное поведение, но связываются с объектами болезни.
Такие материалы могут найти применение в медицинских суперклее на биологической основе или в связывании терапевтических наночастиц с усилением сдвига внутри тела. «А пока мы рады вернуться в лабораторию и посмотреть, что прилипнет», – говорит Нэш.