Результаты, опубликованные в ведущем химическом журнале Angewandte Chemie International Edition, отмечены как «Основные исследования» в журнале Nature Chemical Biology. (20 октября 2015 г.). Работа финансировалась The Wellcome Trust.Хорошо известно, что все типы болезнетворных бактерий становятся устойчивыми к антибиотикам, но одноклеточные грамотрицательные бактерии, группа бактерий, к которой принадлежит кишечная палочка, вызывают особую озабоченность, поскольку у них есть дополнительная стенка вокруг своих клеток, которая может защитить их физически от нашего лечения.
Данные за 2013 год, взятые с веб-сайта NHS, показывают, что каждая пятая инфекция, вызванная кишечной палочкой, теперь устойчива к широко используемому антибиотику (ципрофлаксину).Джереми Лейки, профессор структурной биохимии в Университете Ньюкасла, который руководил исследованием, объясняет: «Наша модель бактериальной внешней мембраны может использоваться в качестве симулятора для проверки того, как молекулы антибиотиков могут преодолевать этот критический барьер.
«Стабильная модель так важна, потому что детальная структура этой стены все еще не ясна, в основном потому, что бактерии очень маленькие и имеют защитную оболочку толщиной всего 20 нанометров. Эта модель дает нам беспрецедентный доступ к структуре и динамике мембрана ".Грамотрицательные бактерии — очень успешные организмы.
С точки зрения эволюции считается, что они произошли от общего предка цианобактерий, который появился 3,6 миллиарда лет назад. Бактерии E. coli обитают в пищеварительном тракте людей и животных, и большинство из них безвредны. Однако некоторые грамотрицательные препараты вызывают такие заболевания, как менингит, чума, болезнь легионеров, холера и пищевые отравления. Понимание внешних мембран грамотрицательных бактерий важно для разработки антибиотиков.
Однако их структура и динамика плохо изучены из-за их небольшого размера и неточных лабораторных или in vitro моделей.Оболочка грамотрицательных бактерий, таких как кишечная палочка, состоит из двух барьеров — так называемых внутренней и внешней клеточных мембран. Эта двойная мембрана, уникальная в биологии, очень непроницаема для входящих молекул и действует как высокоселективный фильтр.
Наноразмерная структура мембраны была определена с использованием источника нейтронов и мюонов ISIS Совета по науке и технологиям. Инструмент под названием POLREF предоставил метод магнитного контраста нейтронного отражения, чтобы изучить модель и выяснить, где находится каждый компонент.
Это позволило определить точный молекулярный состав, показывая точные детали модели, такие как молекулярная асимметрия и толщина внутреннего слоя воды.«Теперь мы можем проводить исследования на модельных бактериальных мембранах в условиях, которые намного больше напоминают условия, обнаруженные у живых бактерий, чем это было возможно ранее», — сказал доктор Люк Клифтон из ISIS. «Рассеяние нейтронов позволяет нам разрешать сложные структуры, состоящие из смесей биомолекул. Объединив это с изотопной маркировкой, к которой нейтроны очень чувствительны, мы смогли определить, где находится каждый компонент модели».Доктор Клифтон и его сотрудники продолжили тестировать реакцию модели на антимикробные белки, производимые в нашем организме, включая лизоцим и лактоферрин.
Взаимодействие этих белков с внешней мембраной in vivo и in vitro хорошо известно, что позволяет проводить прямые сравнения с синтетической моделью. Отражательная способность нейтронов показала, что эксперименты воспроизводили поведение in vivo, воспроизводя разрушение внешней мембраны, ранее наблюдавшееся у живых бактерий.Профессор Лейки добавляет: «Модель ведет себя так, как вы ожидаете от живых бактерий, что открывает перед исследователями захватывающие возможности для тестирования новых соединений».
Следующая задача исследователей — начать включение мембранных белков в бислой.