高分辨率成像揭示了細菌毒素的秘密

許多細菌使用專門的毒素來攻擊和感染其他細胞。EPFL和伯爾尼大學的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)以前所未有的分辨率模擬了這種主要的毒素，并逐步揭示了它的工作方式。為了感染其他細胞，許多細菌分泌一種毒素，刺穿靶細胞的膜并形成孔; 結(jié)果，細胞死亡。這些“成孔毒素”具有與其工作方式密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征。一種主要的成孔毒素是溶血素，由導致人類胃腸炎，深部傷口感染和敗血癥的細菌使用。利用尖端的顯微鏡技術(shù)，EPFL和伯爾尼大學的科學家們創(chuàng)造了最詳細的氣溶素結(jié)構(gòu)模型，展示了它如何分階段穿透細胞。這項工作發(fā)表在Nature Communications上。

成孔毒素或PFT是由細菌分泌到靶細胞上的蛋白質(zhì)，例如在人的腸道中。一旦被分泌，PFT就會鎖定在細胞膜上并開始形成管狀結(jié)構(gòu)，穿透它 - 這就是真正的毛孔。由于其膜被多個PFT刺穿，細胞不再能夠與其外部環(huán)境保持其內(nèi)部壓力和化學平衡，并且自我毀滅。

幾十年來，微生物學家和結(jié)構(gòu)生物學家一直專注于PFT，以制定針對它們的策略。然而，這需要詳細了解PFT，由于顯微技術(shù)的局限性，目前這些PFT難以實現(xiàn)。

EPFL的Gisou van der Goot實驗室使用一種新的尖端技術(shù)，與伯爾尼大學的BenoîtZuber實驗室合作，已經(jīng)能夠生產(chǎn)出最詳細的PFT模型，稱為aerolysin。Aerolysin是由細菌嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydrophila)產(chǎn)生的，并且是生物體所有王國中發(fā)現(xiàn)的主要PFT家族的“創(chuàng)始成員”。細菌本身感染人類，引起腸胃炎，深部傷口感染和敗血癥。

科學家們利用了最近開發(fā)的一種稱為“直接電子檢測”的攝影技術(shù)。該技術(shù)可以形成來自樣品的電子的圖像，這允許前所未有的分辨率。

該團隊通過將直接電子檢測與低溫電子顯微鏡相結(jié)合，可視化氣溶素分子。這種類型的顯微鏡可以觀察生物分子的自然狀態(tài)和構(gòu)象，從而提供高度準確的信息和高分辨率。實際上，科學家能夠以3.9-4.5Å(0.39-0.45 nm)的分辨率顯示氣溶素，這實際上是單個原子的尺度。

但更重要的是，可視化方法能夠在工作中看到aerolysin，捕捉它就像一個延時。當aerolysin攻擊細胞時，它會從細菌中分泌為單個分子。當它通過其靶細胞膜形成孔時，它經(jīng)歷三種不同的結(jié)構(gòu)變化，稱為“預備”，“后預備”和“準珠”狀態(tài)。

新方法能夠獲取每個州的高分辨率快照，揭示以前無法訪問的有關(guān)其結(jié)構(gòu)和功能之間聯(lián)系的見解。例如，當aerolysin穿透靶細胞時，它形成結(jié)構(gòu)生物學家稱之為“β桶”，一種堅韌的結(jié)構(gòu)，允許aerolysin鉚接在靶細胞上并像活塞一樣穿過其膜孔。

“我們在這里發(fā)現(xiàn)的很可能適用于整個aerolysin家族，其他PFT，甚至可能適用于類似朊病毒的蛋白質(zhì)，”Gisou van der Goot說道，他的團隊多年來一直致力于通過Ioan Iacovache研究aerolysin。Iacovache現(xiàn)在在伯爾尼大學的BenoîtZuber實驗室，在那里拍攝并處理了一些aerolysin圖像。

通過提供開發(fā)新藥所需的信息，這些發(fā)現(xiàn)對目前抗擊抗生素耐藥性的努力至關(guān)重要。

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