Чтобы реагировать на окружающую среду, бактерии «разговаривают» друг с другом посредством химической формы коммуникации, называемой кворум-зондированием. Клетки выделяют сигнальную молекулу и одновременно контролируют ее концентрацию. Поскольку все больше клеток секретируют сигнальную молекулу, она может превышать пороговую концентрацию и активировать определенные генетические пути, например, для выработки токсинов или образования защитной биопленки.
Светочувствительный переключатель
«Если бы мы могли влиять на восприятие кворума, мы могли бы использовать его для лечения серьезных инфекций», – говорит химик-органик из Гронингенского университета Микель Хансен. ‘И было бы также полезно изучить, как именно работает распознавание кворума.Для этого было бы полезно иметь модулятор определения кворума, которым можно было бы управлять извне.
Вот почему Хансен и его коллеги из группы синтетической органической химии во главе с профессором Беном Ферингой намеревались встроить светочувствительный переключатель в молекулу, используемую бактериями в качестве сигнала для восприятия кворума.
Молекула состоит из головы и гибкого углеродного хвоста, соединенных через ?-кетоамидный линкер. План состоял в том, чтобы включить переключатель в хвост.
Это означало, что нам пришлось соединить модифицированный хвост с головой через ?-кето-амидная связь. Однако синтетический процесс для получения этой связи дает очень нестабильный промежуточный продукт, что делает практически невозможным синтез молекулы.’
Библиотека
Основываясь на обширном опыте группы синтетической органической химии в Институте химии Стратинга в Университете Гронингена, исследователи пришли к решению в виде новой реакции сочетания со стабилизированным промежуточным продуктом.
Используя это промежуточное соединение, они смогли синтезировать производные, переключаемые с помощью фотоснимка, быстрым и простым способом.
Хансен вместе со студентом магистратуры Жаком Хилле создали «библиотеку» из 16 различных соединений, которые потенциально могли действовать как агонисты или антагонисты определения кворума. Все были оснащены выключателем с подсветкой. Все соединения были основаны на молекуле, которая используется в одной конкретной системе определения кворума у Pseudomonas aeruginosa, которая имеет около пяти из этих систем определения кворума.
В сотрудничестве с молекулярными биологами из лаборатории профессора молекулярной микробиологии Арнольда Дриссена, также в Университете Гронингена, гены одной из этих систем были перенесены в E. coli репортерный штамм, позволяющий тестировать любой эффект вновь синтезированных соединений без вмешательства других механизмов восприятия кворума.
Производство токсинов
Тесты на биоактивность полученных соединений показали, какие части молекулы имеют решающее значение для контроля чувствительности кворума. Оптимальное количество атомов углерода, составляющих хвост, оказалось четыре.
Щелчок выключателя со светом заставлял сгибаться хвост. Примечательно, что прямой хвост не имел никакого эффекта, тогда как изогнутый хвост индуцировал сигнал восприятия кворума. Хансен: «В целом кажется, что небольшие изменения в молекуле могут иметь большое влияние на ее активность, но мы еще не знаем точно, почему.’
Они действительно нашли одно соединение, которое было способно сильно подавлять сигнал восприятия кворума и – после облучения светом, приводящего к изгибанию хвоста – также сильно его стимулировать. Разница в активности составила более 700 раз, что огромно.
Насколько нам известно, такая большая разница никогда ранее не наблюдалась для биоактивных молекул с переключением света.Эта конкретная молекула будет очень полезным инструментом для изучения того, как бактерии общаются. «В ходе исследования мы показали, что можем контролировать выработку токсина в штамме Pseudomonas с помощью нашего переключаемого модулятора. Это станет мощным инструментом как для клинических, так и для фундаментальных исследований механизма определения кворума.’