Теперь они надеются увидеть, можно ли манипулировать этим переключателем, чтобы сделать природную фабрику антибиотиков более эффективной.Исследование, опубликованное 28 августа в Cell, показало, что уникальное взаимодействие между небольшой молекулой под названием cyclic-di-GMP и более крупным белком под названием BldD в конечном итоге контролирует, проводит ли бактерия свое время в вегетативном состоянии или занимается производством антибиотиков.
Исследователи обнаружили, что небольшая молекула собирается в своего рода молекулярный клей, соединяя две копии BldD в качестве связной единицы, которая может регулировать развитие грамположительных бактерий Streptomyces.«В течение десятилетий ученые задавались вопросом, что приводит в действие переключатель развития Streptomyces, чтобы остановить нормальный рост и начать необычный процесс многоклеточной дифференцировки, в ходе которого он генерирует антибиотики», — сказала Мария А. Шумахер, доктор философии, доцент. биохимии в Медицинской школе Университета Дьюка. «Теперь мы не только знаем, что за это отвечает циклический ди-GMP, но и точно знаем, как он взаимодействует с белком BldD, чтобы активировать его функцию».Streptomyces имеет сложный жизненный цикл с двумя отдельными фазами: деление, вегетативная фаза и отдельная фаза, в которой бактерии образуют сеть нитевидных нитей, которые пережевывают органический мусор и выделяют антибиотики и другие метаболиты. В конце второй фазы бактерии образуют нитевидные ветви, которые поднимаются в воздух и образуют спиралевидные башни из спор.
В 1998 году исследователи обнаружили ген, который не позволял культивируемым бактериям Streptomyces создавать спиральные башни из пуха на своей поверхности. Они обнаружили, что этот ген, который они назвали BldD, чтобы отразить этот «лысый» вид, также влияет на выработку антибиотиков.Последующие исследования показали, что BldD — это особый белок, называемый фактором транскрипции, типом главного регулятора, который связывает ДНК и включает или выключает более сотни генов для контроля биологических процессов, таких как споруляция. Но за более чем десятилетние исследования никто не смог идентифицировать мозг, стоящий за операцией, молекулу, которая в конечном итоге контролирует этот главный регулятор у Streptomyces.
Затем ученые из Центра Джона Иннеса в Соединенном Королевстве, где началась большая часть исследований Streptomyces, обнаружили, что небольшая молекула cyclic-di-GMP генерируется несколькими факторами транскрипции, регулируемыми BldD. Исследователи провели быстрый тест, чтобы увидеть, связывает ли эта небольшая молекула сама BldD, и были поражены, обнаружив, что это так. Они связались с давними сотрудниками Шумахером и Ричардом Бреннаном, доктором философии. в Duke, чтобы посмотреть, смогут ли они поближе взглянуть на это важное взаимодействие.
Команда Duke использовала инструмент, известный как рентгеновская кристаллография, для создания трехмерной структуры на атомном уровне комплекса BldD- (cyclic-di-GMP).BldD обычно существует в виде отдельной молекулы или мономера, но когда приходит время связать ДНК и подавить споруляцию, он объединяется с другой своей копией для выполнения этой работы. Трехмерная структура, построенная исследователями, показала, что эти две копии BldD никогда физически не соприкасаются, а вместо этого склеены четырьмя копиями cyclic-di-GMP.
«Мы просмотрели базу данных белков и тщательно изучили наши воспоминания, но это открытие кажется уникальным», — сказал Бреннан, профессор и заведующий кафедрой биохимии в Медицинской школе Университета Дьюка. «Мы никогда раньше не видели структуры, в которой два мономера превращались бы в функциональный димер без прямого взаимодействия между ними, кроме своего рода низкомолекулярного клея».Чтобы подтвердить свои выводы, Шумахер определил несколько кристаллических структур из разных ароматов бактерий (S. venezuelae и S. coelicolor) и каждый раз получал один и тот же необычный результат.
Теперь, когда исследователи знают, как циклический ди-GMP и BldD могут склеиваться, чтобы отключить споруляцию и включить выработку антибиотиков, они хотели бы знать, как этот комплекс может снова отсоединиться, чтобы повернуть переключатель в другую сторону.Исследование проводилось при поддержке долгосрочной стипендии EMBO (ALTF 693-2012), постдокторской стипендии Леопольдины, Исследовательского совета биотехнологии и биологических наук (BB / H006125 / 1), Стратегической программы Института метеорологии и Медицинской школы Университета Дьюка. .