Микроорганизм Pyrodictium abyssi — представитель археев, одного из трёх доменов жизни, и экстремофил. Он обитает в глубоководных термальных источниках при температурах выше точки кипения воды, без света и кислорода, выдерживая огромное давление на глубине тысяч метров.
Биматрица из крошечных белковых трубок, известных как каннулы, связывает клетки Pyrodictium abyssi в высокостабильное микробное сообщество. Никто не знал, как эти одноклеточные микробы достигают такого инженерного совершенства, пока не стало известно следующее.
Исследование с использованием передовых методов микроскопии раскрывает новые детали об элегантной конструкции каннул и поразительной простоте их метода построения. Работа опубликована в Nature Communications под руководством учёных из Университета Эмори; Университета Вирджинии, Шарлотсвилль; и Свободного университета Брюсселя в Бельгии.
Открытие может вдохновить на инновации в биотехнологии: от разработки новых «умных» материалов до систем доставки наноразмерных лекарств.
«Каннулы не только достаточно прочны, чтобы выдерживать экстремальные условия, они ещё и красивы», — говорит Винсент Контичелло, профессор химии в Эмори и один из старших авторов статьи. «Для меня они напоминают колонны классической архитектуры Древней Греции или Рима», — добавляет он, ссылаясь на их рифлёные края и точную регулярность.
Исследователи показали, как минерал кальций запускает связывание нитей на молекулах белка, соединяя их друг с другом и самоорганизуясь в сложные структуры каннул.
«Мы были поражены простотой этого процесса», — говорит Контичелло.
Исследование даёт новые ключи к пониманию возможной роли каннул как транспортной сети для информации и грузов. Это также добавляет доказательств того, что Pyrodictium abyssi может служить примитивным примером того, как многоклеточные формы жизни возникли из «первобытного бульона» ранней Земли миллиарды лет назад.
«Pyrodictium abyssi всегда образует эти каннулы», — говорит Контичелло. «Возможно, это дало им эволюционное преимущество — обмениваться грузами, позволяя всему сообществу выживать в экстремальных условиях».
Экстремофилы
Экстремофилы, микроорганизмы, способные выживать в самых суровых условиях на Земле, были впервые обнаружены в почти кипящих горячих источниках Йеллоустонского национального парка в 1969 году. С тех пор «биопроspectors», ищущие эти выносливые формы жизни, обнаружили их в кислой среде глубоких шахт, во льду и в глубоководных источниках.
Некоторые из этих экстремофилов относятся к домену Archaea, который оказался совершенно новой ветвью жизни. Археи не только процветают в экстремальных условиях, но и повсеместно распространены, являясь частью микробиоты всех организмов, включая человека, где они обнаруживаются в кишечнике, ротовой полости и на коже.
Однако они не были должным образом классифицированы до 1977 года, когда анализ генетического материала архей показал, что они не являются бактериями, как считалось ранее. Вместо этого эти одноклеточные организмы имеют отдельную эволюционную линию от доменов бактерий и эукариот, к которым относятся все многоклеточные организмы.
Pyrodictium abyssi, получившее своё название от греческих корней слов «огонь», «сеть» и «бездна», было выделено из морских источников в 1991 году немецким микробиологом Карлом Штеттером.
Учёные исследуют различные археи, чтобы попытаться идентифицировать ферменты — особый тип белка, который действует как биологический катализатор — которые могут работать в экстремальных условиях. Эти ферменты могут помочь проложить путь к биоинженерным инструментам для различных применений.
Лаборатория Контичелло специализируется на разработке белков, пригодных для биомедицины и других сложных технологий.
За последнее десятилетие область белковой биохимии быстро продвинулась вперёд вместе с так называемой «революцией разрешения» в криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ). Этот метод позволяет учёным получать подробные трёхмерные изображения клеток и белков. Эти снимки затем объединяются в виде покадровых фильмов.
«При предыдущих разрешениях крио-ЭМ мы не могли увидеть структурные детали отдельных молекул», — говорит Контичелло. «Теперь у нас есть почти атомное разрешение, позволяющее нам получить гораздо более чёткое представление о белках и их взаимодействиях».
Достижения в области технологий искусственного интеллекта за последние пять лет также ускоряют способность разгадывать тайны, связанные с трёхмерной структурой белков. Система AlphaFold AI, разработанная Google DeepMind, может предсказывать структуры белков на основе их геномной последовательности с беспрецедентной точностью и скоростью.
Контичелло цитирует знаменитого арендатора Фрэнсиса Крика, сооткрывателя двойной спиральной формы ДНК: «Если вы хотите понять функцию, изучите структуру».
Подобно закрученной, похожей на лестницу структуре ДНК, которая определяет её функцию, так и структура белков.
Изучение образцов Pyrodictium abyssi, собранных из природы, может быть сложной задачей. Микробу требуется среда с высоким давлением и без кислорода, чтобы выжить.
«Он также должен выращиваться в атмосфере газообразного водорода и производит сероводород, который чрезвычайно агрессивен и токсичен для человека», — говорит Контичелло.
Чтобы получить более детальный вид структуры каннул без работы с самим Pyrodictium abyssi, лаборатория Контичелло синтезирует последовательность ДНК белка. Затем ген белка имплантируется в лабораторные образцы бактерий E. coli, которые считывают информацию, закодированную геном, и производят белок каннул.
Команда Эмори сотрудничала с исследователями из Университета Вирджинии, чтобы получить наиболее детальный вид белковых трубок с помощью крио-ЭМ. Они также изучили метод, который белок использует для роста в структуре, с помощью высокоразрешающих изображений и химического анализа.
Они показали, как добавление ионов кальция в раствор белков запускает эффект домино, когда нити одного белка связываются с другим белком.
«Связывание одного белка инициирует процесс в следующем», — говорит Контичелло. «Это похоже на серию белковых домино, которые сбивают друг друга, а затем встают на место, как кусочки Lego. Так формируется белковая трубка».
Кальций остаётся в структуре, как раствор, помогающий удерживать вместе белковые «кирпичи».
Удивительно, что такое сильное взаимодействие происходит просто с добавлением кальция, говорит Контичелло, и без помощи клеточных механизмов, таких как реснички и жгутики — волосоподобные структуры, которые часто обеспечивают движение микробов.
«Вдохновляет видеть настолько сложную и красивую структуру, возникшую в результате такого простого процесса», — говорит Контичелло.
Исследователи представили синтезированную структуру каннул в Банк данных о белках, который предоставляет открытый доступ к более чем 200 000 структурам белков для ускорения научных исследований.
Исследователи из Свободного университета Брюсселя, которые занимаются сложной работой по выделению белка, полученного из реальных образцов Pyrodictium abyssi, увидели синтезированную структуру каннул в общедоступной базе данных. Это привело к международному сотрудничеству для подготовки текущей статьи.
«Мы смогли показать, что каннулы, выращенные в лаборатории, имеют ту же архитектуру и молекулярную структуру, что и выращенные из клеточных образцов», — говорит Контичелло. «Это открывает двери для более потенциальных применений, поскольку гораздо проще и практичнее изучать и создавать синтетические структуры».
Авторы продолжают исследовать потенциал каннул в качестве синтетических белковых биоматериалов.
Анализы каннул, выращенных из биологических образцов, показали наличие спиралевидного груза. Авторы предполагают возможность того, что грузом является ДНК, хотя материала было недостаточно для изоляции и подтверждения этой гипотезы.
«ДНК имеет сильный отрицательный заряд, а внутренняя часть каннул — положительный, что также подтверждает возможность использования Pyrodictium abyssi для транспортировки ДНК», — говорит Контичелло. «Мы хотим изучить идею инкапсуляции различных видов груза во внутренней части синтезированных каннул, используя преимущество положительного заряда трубки».
Они уже продемонстрировали, что могут заключать отрицательно заряженные наночастицы золота во внутренней положительно заряженной части каннул. Наночастицы золота имеют важное биомедицинское применение благодаря своим уникальным оптическим свойствам и способности быть адаптированными для нацеливания на конкретные клетки для доставки лекарств и диагностической визуализации.
Другие новости по теме
- Уникальная «мумия динозавра» прибыла в Миннесоту для изучения
- Ископаемая птица, которая подавилась камнями, и никто не знает почему
- Система зрения бабочек меняется в зависимости от сезона, как показало исследование
- Познакомьтесь с удивительными существами, обитающими в пустынных водоёмах Австралии
- Когда вы счастливы, ваша собака может выглядеть грустной: исследование раскрывает неожиданный поворот в том, как люди читают эмоции собак
- Управление рыболовством в открытом море не соответствует установленным требованиям, показывает анализ
- Пингвины массово погибли от голода: популяции у берегов ЮАР сократились на 95% за 8 лет
- Открытие исследователей из Международного университета Флориды может стать новым инструментом для судебных экспертов в расследовании смертей.
- Q&A: почему понимание стволовых клеток — ключ к лечению заболеваний от псориаза до рака
- Исследователи обнаружили перспективные адаптации тропических лесов к изменению климата
Другие новости на сайте
- Космический телескоп «Хаббл» вновь запечатлел комету 3I/ATLAS
- Использование видеоигр для повышения интереса детей к обучению
- Гексатическая фаза: ультратонкие двумерные материалы в состоянии между твёрдым и жидким впервые наблюдаются
- Расшифровка отпечатка тёмной материи в гравитационных волнах от чёрных дыр
- Исследователи MIT «воплощают объекты в реальность» с помощью ИИ и робототехники
- Спасение Руби: черепахе нужна новая теплица, и танцевальные компании помогают
- Ферроптотическая гибель клеток, вызванная всплесками Ca²⁺ и АФК, запускается рисовой ферментом OsPLC4 в рамках иммунного ответа
- Исследование существования пятой силы через охлаждение нейтронных звёзд
- Физики предоставляют ключевые данные о массе для определения скорости реакции при рентгеновских вспышках
- Уникальная «мумия динозавра» прибыла в Миннесоту для изучения