Исследователи нарисовали то, что, по их словам, является первой картиной молекулярного механизма, известного как Каскад, который стоит на страже внутри бактериальных клеток. К своему удивлению, они обнаружили, что он содержит двухниточную, свободную структуру, которая напоминает лестницу, что позволяет ей выполнять свою работу быстрее, чем это позволяет стандартная двойная спираль.
Результаты, опубликованные в Интернете 14 августа в журнале Science, могут также дать ключ к разгадке распространения устойчивости к антибиотикам, которая возникает, когда бактерии адаптируются до такой степени, что антибиотики больше не работают у людей, которым они нужны для лечения инфекций, поскольку аналогичные процессы возникают. в игре. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает устойчивость к антибиотикам серьезной угрозой для здоровья населения во всем мире.«Если вы понимаете, как что-то выглядит, вы можете выяснить, что оно делает», — говорит руководитель исследования Скотт Бейли, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии школы Bloomberg. «И здесь мы нашли структуру, которую никто никогда раньше не видел, структуру, которая могла бы объяснить, почему Cascade так хорош в том, что он делает».
Для своего исследования Бейли и его коллеги использовали так называемую рентгеновскую кристаллографию, чтобы нарисовать картину каскада, ключевого компонента сложной иммунной системы бактерий, известной как CRISPR, аббревиатура от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Cascade использует информацию, содержащуюся в последовательностях РНК, в качестве сокращений для идентификации чужеродных захватчиков и их уничтожения.Большая часть иммунной системы человека хорошо изучена, но до недавнего времени ученые не осознавали уровень сложности, связанный с иммунной системой одноклеточных форм жизни, включая бактерии.
Ученые впервые определили CRISPR несколько лет назад, когда пытались понять, почему бактериальные культуры, использованные для приготовления йогурта, поддались вирусным инфекциям. Впоследствии исследователи обнаружили, что они могут использовать бактериальную иммунную систему CRISPR для редактирования ДНК и восстановления поврежденных генов. Одна группа, например, смогла удалить вирусную ДНК из клеток человека, инфицированных ВИЧ.
Работа Бейли сосредоточена на том, как Cascade помогает бактериям бороться с вирусами, называемыми бактериофагами. Система Cascade использует короткие цепи бактериальной РНК для сканирования ДНК бактериофага, чтобы определить, является ли она чужеродной или собственной.
Если чужеродная, клетка начинает атаку, уничтожая вторгшийся бактериофаг.Чтобы «увидеть», как это происходит, Бейли и его команда преобразовали Каскад в кристаллизованную форму. Затем техники из Национального источника синхротронного излучения в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк, и Стэнфордского источника синхротронного излучения затем обучили кристаллы мощным рентгеновским излучением.
Рентгеновские лучи предоставили вычислительные данные ученым школы Блумберг, что позволило им нарисовать Каскад, машину с 11 белками, которая работает только в том случае, если каждая часть находится в идеальном рабочем состоянии.То, что они увидели, было неожиданным. Вместо того, чтобы РНК и ДНК оборачиваются друг вокруг друга, образуя так называемую структуру двойной спирали, в Cascade ДНК и РНК больше похожи на параллельные линии, образующие что-то вроде лестницы. Бейли говорит, что если бы РНК должна была обернуться вокруг ДНК, чтобы распознать захватчика, а затем развернуть себя, чтобы посмотреть на следующую цепочку, то процесс занял бы слишком много времени, чтобы предотвратить инфекцию.
Благодаря лестничной структуре РНК может быстро сканировать ДНК.В новом исследовании Бейли говорит, что его команда определила, что РНК сканирует ДНК так же, как люди сканируют текст в поисках ключевого слова.
Они разбивают длинные отрезки символов на более мелкие сегменты размером с укус, как и сами слова, чтобы их было легче обнаружить.Поскольку система CRISPR-Cas естественным образом действует как барьер для обмена генетической информацией между бактериями и бактериофагами, ее функция может дать подсказки о том, как развивается устойчивость к антибиотикам, и идеи о том, как ее предотвратить.
«Мы находим новые кусочки головоломки», — говорит Бейли. «Это дает нам лучшее понимание того, как эти машины находят свои цели, что может помочь нам использовать систему CRISPR в качестве инструмента для терапии или манипуляции ДНК в лабораторных условиях. И все началось, когда кто-то захотел сделать йогурт дешевле. "«Кристаллическая структура комплекса наблюдения под управлением CRISPR РНК, связанного с оцДНК-мишенью», — написали Сабин Мулепати, Энни Херу и Скотт Бейли.