Исследователи получили самое детальное изображение бактериофага
Учёные создали наиболее подробное на сегодняшний день изображение бактериофага — вируса, который убивает бактерии. Это позволило им впервые увидеть структурное строение той части вируса, которая напрямую прикрепляется к клетке мишени Mycobacterium.
Работа может привести к разработке новых методов лечения с использованием биоинженерных фагов.
«Теперь у нас есть своего рода техническая спецификация для разработки фагов, которые будут связываться с различными типами клеток», — говорит Грэм Хэтфулл, профессор биотехнологии Питтсбургского университета.
Это важно, потому что после того, как бактериофаг связывается с бактериальной клеткой, он прокалывает отверстие в клеточной мембране и вводит свою ДНК, превращая бактерию в фабрику по производству фагов.
Многие бактерии становятся всё более устойчивыми к антибиотикам, которые мы используем для их уничтожения. В некоторых случаях фаги — единственный способ борьбы с бактериальными инфекциями. Однако они привередливы: определённый вид фага обычно атакует только один штамм бактерий. Способность создать фаг, который будет искать и уничтожать конкретную бактерию, может изменить правила игры в медицине.
Исследование было опубликовано в журнале Cell.
Фаги эволюционировали в течение миллиардов лет. Несмотря на всё разнообразие, которое возникла за это время, почти все они имеют схожие компоненты: капсид, хвостовую трубку и хвостовой наконечник. Некоторые части легче визуализировать, чем другие.
Капсид бактериофага расположен подобно голове на узкой хвостовой трубке. Исследователи уже некоторое время могут получать высококачественные изображения капсида фага.
«Во-первых, он гигантский и его легко найти», — говорит Криста Фриман, научный сотрудник лаборатории Хэтфулла. Капсид состоит из 60 симметричных частей, сигнал от которых можно усреднить для повышения чёткости изображения. При создании изображения фага с помощью криоэлектронной микроскопии, одного из двух методов визуализации, используемых в этой работе, множество изображений с разных ракурсов сшиваются вместе. Из-за симметрии этой части требуется относительно немного изображений, чтобы собрать достаточно информации для воссоздания всего капсида.
Остальная часть тела фага меньше по размеру и менее симметрична.
«Поэтому нужно быть более осторожным, — говорит Фриман. — Нужно найти больше частиц, провести больше поисков и выполнить больше ручных манипуляций. Это гораздо менее автоматизировано, чем получение большого изображения структуры».
Фаги состоят из пучков запутанных, переплетённых белков, которые петляют по всей структуре. Они меньше похожи на глобус, информация на котором нарисована на поверхности, и больше похожи на скульптуру цветка, построенную из пружинок Слинки. На практике это означает, что для создания полного изображения требуется собрать десятки тысяч изображений фагов, ориентированных по-разному.
Благодаря такому объёму данных и вычислительным мощностям Фриман смогла воссоздать хвостовую трубку и, что, возможно, наиболее заманчиво, наконечник хвоста, который связывается с бактериями. В настоящее время исследователи не знают, почему определённый фаг атакует определённый штамм бактерий.
«Наконечник хвоста — это часть, которая распознаёт бактериальную клетку», — говорит Хэтфулл. «Именно поэтому он нас особенно интересует».
Их высококачественные изображения позволили увидеть структуры, которые ранее были видны только в виде размытого полутонового изображения, указывающего на плотность электронов.
«Теперь можно показать каждый молекулярный компонент этой штуки, — говорит Фриман. — И это просто breathtaking (захватывающе)». Новые изображения также раскрывают структурную информацию, которую исследователи могут изучить, чтобы лучше понять точку контакта между фагом и его бактериальной мишенью.
«Было поразительно узнать, насколько сложной является структура наконечника хвоста», — говорит она.
Изображения стали динамичными благодаря работе, проведённой Рафаэлем Парком и его коллегами из Scripps Research, которые использовали другой метод визуализации — криоэлектронную томографию, которая позволяет получить изображение фагов, связанных с бактериальной клеткой, выделяя весь фаг и место его прикрепления к поверхности бактериальной клетки.
На некоторых изображениях ДНК фага отчётливо видна внутри капсида; на других она прошла через клеточную стенку бактерии. Между этими двумя этапами «есть некоторые тонкие различия» в структуре фага, говорит Хэтфулл. Они могут указывать на механизм, с помощью которого ДНК запускается из капсида или как она транспортируется через хвостовую трубку.
«Это новые идеи», — говорит Хэтфулл. «Остаётся много вопросов». Но Хэтфулл, Фриман и исследователи по всему миру теперь могут всерьёз задуматься о создании фагов, распознающих различные бактерии.
«Раньше у нас не было шансов. А теперь это станет обыденностью».
Работа получила поддержку от Национального института общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения и Национального института аллергии и инфекционных заболеваний Национальных институтов здравоохранения.
Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения.