MIPT的科學(xué)家與國際同行合作，提出了一種通用的細(xì)菌嗅覺機(jī)制。研究人員從大腸桿菌(大腸桿菌)中獲得了NarQ蛋白的結(jié)構(gòu)，該蛋白屬于一類通用的感官組氨酸激酶，負(fù)責(zé)向細(xì)菌傳遞有關(guān)其環(huán)境的信號(hào)。發(fā)表在“科學(xué)”雜志上的論文描述了細(xì)菌如何相互溝通，并在無菌表面或人體內(nèi)部形成生物膜。

影響這種嗅覺的藥物可能被用作現(xiàn)代抗生素的替代品。它們不殺死細(xì)菌;它們只是呈現(xiàn)使它們對(duì)人體無害的信號(hào)。從理論上講，細(xì)菌不會(huì)產(chǎn)生抵抗這樣的攻擊。

細(xì)胞嗅覺的兩個(gè)組成部分

所有細(xì)胞都被致密的膜包裹，幾乎沒有化學(xué)物質(zhì)可以通過。這使細(xì)胞能夠保持其內(nèi)部化學(xué)條件恒定并正常運(yùn)行。然而，膜極大地限制了信息與環(huán)境的交換。為了感知外面發(fā)生的事情，細(xì)胞使用稱為蛋白質(zhì)的特殊分子機(jī)器。這些蛋白質(zhì)通常存在于膜本身或靠近膜，它們負(fù)責(zé)將信號(hào)或化學(xué)物質(zhì)傳入或傳出細(xì)胞。

細(xì)菌“感知”環(huán)境的最普遍機(jī)制是所謂的雙組分系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由兩種蛋白質(zhì)組成：一種激酶，它接收來自細(xì)胞外部的信號(hào)并將其傳遞到細(xì)胞中;一種反應(yīng)調(diào)節(jié)劑，它接收細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)并觸發(fā)后續(xù)反應(yīng)。

分子攝影

理解蛋白質(zhì)如何發(fā)揮作用的有用方法是在原子水平上觀察它們的結(jié)構(gòu)。目前，大多數(shù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(超過100,000)已經(jīng)使用X射線晶體學(xué)獲得。該方法涉及觀察以晶格圖案排序的蛋白質(zhì)分子的衍射圖案。然而，這僅揭示了蛋白質(zhì)的一種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，如照片中所示。如果研究人員可以對(duì)過程的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)進(jìn)行成像，他們可以猜測(cè)蛋白質(zhì)在這些狀態(tài)之間切換時(shí)的確切運(yùn)作方式。

膜“活塞”為細(xì)胞的嗅覺提供動(dòng)力

該研究的作者能夠從大腸桿菌中獲得兩種狀態(tài)的NarQ激酶的結(jié)構(gòu)。該激酶檢測(cè)環(huán)境中硝酸鹽的存在，并通過細(xì)胞膜發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)。事實(shí)證明，兩種狀態(tài)的傳感器都是二聚體，兩種蛋白質(zhì)分子共同作用捕獲硝酸鹽。第一個(gè)狀態(tài)是無效的 - 蛋白質(zhì)不與硝酸根離子結(jié)合并且不傳遞信號(hào)。第二種狀態(tài)是活躍的，或發(fā)出信號(hào)- 在這種狀態(tài)下，激酶將信號(hào)傳遞到細(xì)胞中以通知它硝酸鹽存在于環(huán)境中。

活性狀態(tài)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)獲得了最可靠的野生型蛋白質(zhì)，其中一種沒有人工突變，科學(xué)家經(jīng)常用它來增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。為了獲得處于非活動(dòng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，作者突變了硝酸鹽結(jié)合的位點(diǎn)。蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性沒有受到影響;然而，硝酸鹽不再與它結(jié)合，這使得作者有機(jī)會(huì)觀察到處于不活動(dòng)狀態(tài)的激酶。

發(fā)現(xiàn)信號(hào)傳導(dǎo)和非活性狀態(tài)在硝酸鹽結(jié)合位點(diǎn)僅非常輕微地相差0.5-1埃，這大約是離子本身大小的五分之一(1埃是10-10米)。然而，當(dāng)這種離子與傳感器結(jié)合時(shí)，會(huì)引起蛋白質(zhì)的巨大變化。不同單體的螺旋開始向不同方向移動(dòng)，如活塞。這種分子活塞通過膜傳遞0.5-1埃的微小變化，并且它們的外端在不同方向上移動(dòng)大約2.5埃。在單元內(nèi)部，在HAMP域中，這些移位被轉(zhuǎn)換為NarQ的兩個(gè)部分相對(duì)于彼此的旋轉(zhuǎn)。最終，輸出螺旋的位置變化多達(dá)7埃，從而完成信號(hào)傳輸。

除了兩種蛋白質(zhì)形成對(duì)稱對(duì)的結(jié)構(gòu)外，科學(xué)家們還能夠產(chǎn)生一種具有兩種蛋白質(zhì)不對(duì)稱位置的結(jié)構(gòu)。在這種狀態(tài)下，蛋白質(zhì)在晶體中排列不同并且強(qiáng)烈彎曲。然而，對(duì)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的影響幾乎沒有變化。觀察到的運(yùn)動(dòng)的多功能性表明信號(hào)傳輸機(jī)制是通用的，并且其他化學(xué)化合物的傳感器通過相同的活塞移位機(jī)構(gòu)操作。

“信號(hào)如何通過細(xì)胞膜傳播是現(xiàn)代生物學(xué)中最基本的問題之一。在這項(xiàng)研究中，我們?cè)敿?xì)地展示了信號(hào)(在這種情況下是硝酸鹽的結(jié)合)如何通過數(shù)百埃傳遞到細(xì)菌和古細(xì)菌以及真菌和植物的細(xì)胞。通過更好地了解信號(hào)傳遞的機(jī)制，我們可以期待學(xué)習(xí)如何操縱這些細(xì)胞特別是，試圖削弱或抵消病原微生物的有害影響，“MIPT膜結(jié)構(gòu)分析和工程系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Ivan Gushchin評(píng)論了這項(xiàng)研究。