Первая синтетическая модель внешней клеточной мембраны

первая синтетическая модель клеточной мембраны

Естествоиспытатели Ньюкаслского университета разработали пионерскую модель внешней оболочки бактерии кишечной палочки. Несомненно, она послужит для разработки новых антибиотиков и других препаратов в борьбе против инфекций.

Болезнетворные бактерии в основном принадлежат к двум группам:

  • грамположительные (например, золотистый стафилококк);
  • и грамотрицательные (например, кишечная палочка E. coli, возбудители менингита и чумы).

Все виды болезнетворных бактерий постепенно становятся устойчивыми к антибиотикам, но грамотрицательные вызывают особую озабоченность, так как у них есть дополнительная защитная оболочка.

Работа, опубликованная в категории «Hot Paper» в ведущем химическом журнале Angewandte Chemie International Edition, была процитирована 20 октября как образец исследовательского прорыва в Nature Chemical Biology. Авторы описывают создание в лаборатории модели бактериальной наружной мембраны. С помощью пульсирующего источника нейтронов и мюонов из Лаборатории Резерфорда-Эпплтона точно определили параметры и детали её наноразмерной структуры.

Руководитель проекта Джереми Лейки, профессор структурной биохимии Университета Ньюкасла объясняет:

«Наша модель бактериальной наружной мембраны может быть использована для понимания механизма проникновения молекул антибиотика вовнутрь клетки. Научная важность этой модели в том, что детальная структура стенки по-прежнему точно неизвестна, в основном из-за малых размеров бактерий. Толщина защитной мембраны клетки не превышает 20 нм.».

Оболочка грамотрицательных бактерий, таких как E.coli, состоит из двух барьеров — так называемых внутренней и внешней клеточных мембран. Эта двойная мембрана — уникальная биологическая конструкция — слабо проницаема для молекул внешней среды и действует как фильтр высокой селективности.

Грамотрицательные бактерии весьма успешны с эволюционной точки зрения. Как полагают, они произошли от общего предка цианобактерий, возникших 3,6 млрд лет назад. Кишечные палочки населяют пищеварительный тракт животных и людей и в большинстве случаев являются безвредными. Тем не менее, некоторые грамотрицательные микроорганизмы вызывают болезни, такие как менингит, чума, болезнь легионеров, холера и пищевые отравления.

Внутренние и наружные мембраны сильно отличаются. Внутренняя мембрана двухслойная и состоит из простых фосфолипидов, как и большинство биологических мембран. Наружная мембрана имеет сложную асимметричную структуру, состоящую из липополисахаридов (ЛПС) на внешней поверхности и фосфолипидов на внутренней. Ионы кальция и магния связывают основные полисахариды смежных ЛПС в наружном слое, образуя дополнительный защитный барьер. Физические свойства данного барьера ограничивают эффективность противомикробных препаратов и миграцию белков наружной мембраны, с помощью которых многие антибиотики должны проникнуть внутрь клетки. В результате возникают антибиотикорезистентные штаммы.

Исследователи приступили к созданию синтетической модели с плоским слоем золота, нанесённым на кремниевую подложку при помощи железо-никелевого магнитного сплава. Магнитный слой взаимодействует с нейтронами различных спиновых состояний, что значительно улучшает разрешающую способность метода измерений. Этот магнитно-контрастный метод был разработан тем же коллективом учёных несколько лет назад. Золото покрыто монослоем фосфолипидов (внутренняя мембрана), на который сверху нанесён слой воды.

Группа проф. Клифтона проверила реакцию модели на противомикробные белки человеческого тела, в том числе лизоцима и лактоферрина. Детали взаимодействия этих белков с наружной мембраной in vivo и in vitro хорошо известны, что позволяет напрямую сравнить клеточную мембрану с синтетической моделью. При помощи картины отражённых нейтронов была установлена идентичность поведения синтетической модели и клеточной оболочки бактерий.

В будущем учёные планируют внедрять мембранные белки в двойной слой своей модели.

По материалам Science DailyPhys.org