Бактофилин, открытый всего пять лет назад, среди прочего обнаружен в бактерии Helicobacter pylori, которая вызывает большинство язв желудка. Если раньше считалось, что у бактерий нет стабилизирующего цитоскелета, то сегодня мы знаем, что эти микроорганизмы на самом деле имеют сложную архитектуру, подобную более крупным и с точки зрения эволюции более современным клеткам растений и животных. Бактофилин придает Helicobacter pylori типичную винтообразную форму, благодаря которой бактерия может проникать в защитный слизистый слой внутренней стенки желудка.
Отдельные молекулы бактофилина самопроизвольно полимеризуются внутри бактерий с образованием тончайших волокон и структур более высокого порядка. Здесь играет роль необычный структурный мотив, как это уже было обнаружено командой Адама Ланге из Leibniz-Institut fur Molekulare Pharmakologie (FMP) в исследовательской работе, опубликованной в начале этого года. Предложенная складка бета-спирали никогда раньше не обнаруживалась в цитоскелете. Молекулы бактофилина похожи по форме на спиральную лапшу с шестью витками, и в процессе полимеризации они накапливаются вместе в длинные, очень тонкие волокна.
Исследование таких белков волокон является проблемой для структурных биологов, поскольку они не могут ни растворяться в жидкости, ни кристаллизоваться, как это необходимо для широко используемых методов. Поэтому два первых автора статьи, Чаовей Ши и Паскаль Фрике, использовали относительно современный твердотельный ЯМР, применив новую форму этого метода, развитую в FMP и обеспечивающую особенно высокое разрешение. ЯМР — это сокращение от «ядерный магнитный резонанс». Он основан на свойстве некоторых атомных ядер в сильном внешнем магнитном поле превращаться в небольшие магниты.
На основе их характерного резонанса с радиоволнами можно использовать сложные методы расчета для определения положения атомов внутри молекул. Особенностью твердотельного ЯМР является то, что образец очень быстро вращается в магнитном поле, чтобы имитировать движения растворенных молекул.
Поскольку точная форма строительных блоков бактофилина и их химические свойства теперь известны, можно искать небольшие молекулы, которые мешают полимеризации волокон. Таким образом, можно будет разработать активные вещества, способные убивать определенные бактерии. Волокна бактофилина не только проходят через внутреннюю часть Helicobacter — у безвредного Caulobacter crescentus волокна даже образуют плотно переплетенные маты.
Эти коврики являются основой для длинного стебля, с помощью которого бактерии могут прикрепляться к поверхностям или поглощать питательные вещества.«Все процессы в живых организмах в конечном итоге управляются белками, и мы должны знать их структуру, чтобы понять, как они функционируют», — говорит Адам Ланге.
Биофизик — один из ведущих мировых экспертов в области твердотельного ЯМР, но в будущем он хочет продвигаться вперед, комбинируя различные методы. «Впечатляющие прорывы были также достигнуты в области криоэлектронной микроскопии за последние несколько лет, и мы хотим наладить здесь сотрудничество», — говорит Ланге. «Если кто-то хочет понять белковые структуры во всех их аспектах и деталях, эксперты не должны работать в одиночку, а, скорее, мы должны интегрировать современные мощные методы в совместные проекты».