狡猾的细菌是如何清除有毒金属的?

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-06-04

细菌在不友好的环境中也有着狡猾的生存能力。

细菌可以通过一系列复杂的相互作用,来识别有毒的化学品和金属(如银和铜),然后建立相应的抵抗力。细菌还可以依靠类似的机制来防御抗生素。

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大肠杆菌

图自Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

在大肠杆菌体内,成群的内膜传感器蛋白(CusS)感应到环境中的铜离子时,便会开始行动。CusS吸收转录调节蛋白(CusR),然后分解三磷酸腺苷(ATP)使CusR磷酸化,进而激活基因表达,帮助细胞抵御有毒的铜离子。

康奈尔大学的研究人员将基因工程、单分子跟踪和蛋白质定量相结合,以更仔细地研究这种机制并了解其功能。这些知识可以促进抗菌治疗的发展。

该研究小组的论文发表在《国家科学院学报》上。

“我们对其中的基本机制非常感兴趣,”艺术与科学学院化学教授、论文资深作者Peng Chen说道,“更广泛的概念是,一旦我们了解了这种机制,那么我们或许可以设计出更好或替代的方法来破坏细菌抵御有毒化学物质的能力。这有望设计出新的方法来抑制细菌的耐药性。”

细菌的耐药性实际上是组合摔跤式的操作,两种蛋白质在细胞内协同工作。CusS在细胞内膜中,会感知化学物质或金属的存在,并向细胞溶质或细胞间流体中的调节蛋白CusR发送信号。CusR与DNA相结合,激活产生转运蛋白的基因,最后从细胞中清除毒素。

通常情况下,科学家使用从细胞中去除蛋白质的生化检测来分析这些功能。然而,这个过程阻挡了科学家在它们的自然环境中观察蛋白质和其中的某些细节,如蛋白质之间的空间排列,仍然是模糊的。

为了进入更深入的分析,Chen的研究团队使用单细胞成像技术,用荧光信号标记了大肠杆菌中的单个蛋白质,并逐个成像,跟踪它们的运动。这个过程产生了数百万张图像,并最终绘制成了一个精细、定性的蛋白质运动图谱。

该团队对传感器蛋白的活动特别感兴趣,这些蛋白质有两种类型,即聚集在一起的蛋白质以及围绕内膜移动的蛋白质。研究人员发现,当大肠杆菌接触铜时,自由漂浮、移动的蛋白质种类增加,而聚集的种类减少。被调动的传感器蛋白与调节蛋白相互作用,并启动一些列复杂的步骤——从结合铜到结合并分解复合ATP,最终导致基因表达——这些步骤将冲洗掉细胞中的金属。

“这些步骤中的未知因素之一是传感器蛋白在什么时候与调节蛋白形成蛋白质-蛋白质复合物,”Chen说道,“我们发现,一旦传感器结合铜,就会召集这种调节蛋白。这一过程在这一系列事件中发生的时间非常非常早。”

早期的聚集反应通过启动序列并在序列有时间衰减之前快速进行,从而提供了一种功能优势。Chen将这一策略比作烫手山芋游戏。

“如果我拿着一个刚出炉的山芋,我想把它交给你,我不想在你还没来之前一直抓着它,”Chen说,“我希望你就在我的身边,所以我可以马上传给你。否则,这个烫手山芋可能会变冷,或太烫了我不得不丢掉它。用化学术语来说,差不多就是这个物种会腐烂或者转移成为其它物种。”


蝌蚪五线谱编译自phys,译者李彤馨,转载须授权

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