Naukowcy z Niemiec i USA rozszyfrowali w rozdzielczości atomowej budowę igieł iniekcyjnych bakterii. Wyniki zaprezentowane w czasopiśmie Nature mogą pomóc naukowcom w stworzeniu specjalnych leków i opracowaniu strategii, które w szczególności zapobiegną procesowi infekcji. Choroby wywoływane przez bakterie są niebezpieczne, ponieważ infekcja żywiciela następuje za pośrednictwem aparatu iniekcyjnego. Badania zostały dofinansowane z projektu BIO-NMR (magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) w biologii strukturalnej), który otrzymał niemal 9 mln EUR z tematu "Infrastruktury badawcze" Siódmego Programu Ramowego (7PR) UE.

Naukowcy, pracujący pod kierunkiem Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maxa Plancka w Niemczech, twierdzą, że bakterie uwalniają agentów molekularnych do komórek żywiciela za pośrednictwem organów przypominających igłę. W ten sposób są w stanie uniknąć reakcji immunologicznej. W toku prowadzonych prac naukowcy rozszyfrowali budowę igły, odkrywając, że setki małych, pustych igieł wysuwają się z błony bakterii, przez co staje się ona groźnym narzędziem, które sprawia, że dżuma czy cholera są tak niebezpieczne.

Malutkie igły, współdziałające z podstawą znajdującą się wewnątrz błony, wykorzystują mechanizm iniekcyjny, nazywany przez ekspertów systemem sekrecji typu III, za pomocą którego patogeny wprowadzają agentów molekularnych do komórki żywiciela.

Substancje te oddziałują następnie na podstawowe procesy molekularne i blokują obronę immunologiczną zainfekowanych komórek - jak donoszą naukowcy. Ostateczny wynik? Śmierć, gdyż patogeny rozprzestrzeniają się po całym organizmie, skutecznie unikając wszystkiego, co próbuje je powstrzymać.

Naukowcom udało się jak do tej pory jedynie opracować leki zwalczające infekcję. Niemniej istnieją szczepy bakterii zdolne do rozwinięcia oporności na antybiotyki. Zatem świat nauki musi opracować bardziej specyficzne terapie farmakologiczne.

Nikt nie był w stanie dostarczyć informacji na temat dokładnej budowy igieł o długości 60 - 80 nanometrów i szerokości około 8 nanometrów. Tradycyjne narzędzia, takie jak krystalografia rentgenowska, nie sprawdziły się lub przyniosły nieprawidłowe struktury modelowe. Igła, ze względu na to, że nie podlega krystalizacji ani rozpuszczeniu, oparła się wszystkim próbom rozszyfrowania jej budowy atomowej.

I tutaj do akcji wkracza zespół naukowy, który połączył wytworzenie igły w laboratorium z monolityczną spektroskopią NMR, mikroskopią elektronową i modelowaniem komputerowym. Naukowcy rozszyfrowali budowę igły atom po atomie i po raz pierwszy zobrazowali jej architekturę molekularną w skali angstremowej. Eksperci twierdzą, że jest to rozdzielczość poniżej jednej dziesięciomilionowej części milimetra.

"Poczyniliśmy olbrzymie kroki naprzód, jeżeli chodzi o wytwarzanie próbek i monolityczną spektroskopię NMR" - zauważa autor naczelny, Adam Lange z Wydziału Biologii Strukturalnej na bazie NMR Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maxa Plancka. "Wreszcie byliśmy w stanie wykorzystać jedną z obecnie najsilniejszych, monolitycznych spektrometrii NMR na Wydziale Biologii Strukturalnej na bazie NMR kierowanym przez Christiana Griesingera w naszym instytucie". Przy 20 teslach, pole magnetyczne tego 850 megahercowego spektrometru jest około 400.000 razy silniejsze od pola Ziemi. "Zaskoczyła nas budowa igieł" - stwierdza dr Lange.

Uzyskane wyniki wskazują na podobieństwa wewnątrz i różnice na powierzchni igieł. Różnica może wynikać z tego, co bakterie wykorzystują, aby uniknąć rozpoznania immunologicznego przez żywiciela. Zmiany na powierzchni igieł sieją spustoszenie w układzie immunologicznym żywiciela, który nie jest w stanie rozpoznać patogenu. Wyniki prac mogą pomóc naukowcom w wymyśleniu sposobu na zablokowanie tej strzykawki i utrzymanie bakterii pod kontrolą.

"Nasza nowa technika umożliwia nam wytworzenie dużych ilości igieł w laboratorium" - mówi Stefan Becker, również z Wydziału Biologii Strukturalnej na bazie NMR Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maxa Plancka i współautor artykułu. "Naszym celem jest teraz opracowanie wysokowydajnej metody. Umożliwi ona poszukiwanie nowych agentów zapobiegających wykształcaniu się igły".

Wkład w badania wnieśli eksperci z Instytutu Biologii Zakażeń im. Maxa Plancka i z Uniwersytetu w Waszyngtonie w USA.

Referencje dokumentu: Loquet, A., et al. 'Atomic model of the type III secretion system needle', Nature, 2012. doi:10.1038/nature11079. Źródło: CORDIS