I ricercatori del California NanoSystems Institute dell'UCLA sono diventati i primi a produrre immagini delle strutture atomiche di tre specifiche nanomacchine biologiche, ciascuno derivato da un diverso batterio potenzialmente mortale, un risultato che sperano porterà ad antibiotici mirati verso specifici agenti patogeni.

Gli scienziati hanno utilizzato una tecnologia all'avanguardia chiamata criomicroscopia elettronica, o crioEM, rivelare la forma e la funzione di queste importanti strutture. Gli articoli sui loro risultati sono stati pubblicati in tre riviste di alto livello: Natura , Cellula , e Biologia strutturale e molecolare della natura .

Due delle nanomacchine sono strutture chiamate sistemi di espulsione contrattile, che i loro batteri usano per trasferire molecole tossiche in cellule sane per usurparle per i propri scopi, attaccare i batteri rivali fornendo loro tossine, e altre funzioni. Queste strutture hanno assemblaggi guaina-tubo che creano aperture nelle membrane esterne delle cellule bersaglio attraverso le quali possono inserire molecole tossiche.

La terza nanomacchina, diversa dalle altre due, è una struttura a pori che rilascia la letale tossina dell'antrace nelle cellule dei mammiferi, una volta che il batterio dell'antrace è nel flusso sanguigno. Questo meccanismo è il modo in cui i batteri dell'antrace attivano la malattia in un animale o in una persona infetta.

Come funzionano le nanomacchine era stato capito male, ma i ricercatori dell'UCLA hanno utilizzato un cryoEM dotato di una fotocamera speciale chiamata rivelatore di elettroni diretti per produrre immagini altamente dettagliate. Gli scienziati sperano che le nuove informazioni sul loro funzionamento consentiranno loro di creare antibiotici che colpiscono i batteri patogeni.

Il gruppo, guidato da Hong Zhou, professore di microbiologia, immunologia e genetica molecolare, e di chimica e biochimica, gestisce il laboratorio di Electron Imaging Center for Nanomachines, che ha sede presso il CNSI e ospita il microscopio elettronico Titan Krios dell'UCLA, un cryoEM altamente sofisticato e raro.

"Come fulcro del nostro laboratorio di microscopia elettronica, il criomicroscopio elettronico consente l'esplorazione di nuovi territori nella biologia molecolare, "ha detto Jeff Miller, direttore del California NanoSystems Institute. "Queste immagini senza precedenti ci consentono di comprendere il funzionamento effettivo di queste straordinarie strutture".

Tossina dell'antrace

In un articolo pubblicato online da Natura , Il professor Zhou e il suo team hanno riferito di essere stati i primi a determinare la struttura atomica del poro della tossina dell'antrace, la principale molecola patologica del Bacillus anthracis, il batterio che causa la malattia dell'antrace nell'uomo e negli animali. La struttura atomica del poro della tossina dell'antrace è a forma di fungo con un cancello all'interno del "pozzo".

La scoperta conferma come la malattia colpisce le cellule. Quando le cellule sane incontrano oggetti su scala nanometrica nel corpo, assumono che gli oggetti siano nutrienti e li assorbono. Come un cavallo di Troia, il poro della tossina appare alle cellule come qualcosa di benefico, in questo caso, un nutriente e viene assorbito dalla cellula. Ma una volta dentro la cella, il poro percepisce il cambiamento in un ambiente più acido, che apre il cancello del poro e rilascia la molecola della tossina dell'antrace nella cellula.

"Questo è un passo molto importante verso la comprensione di questo meccanismo, ed è essenziale per qualsiasi contromisura contro l'antrace, " Ha detto Zhou. "Informa anche la nostra comprensione dei meccanismi di altre tossine che funzionano come l'antrace, che potrebbe portare ad altri farmaci antibiotici mirati".

Sistema di secrezione della tularemia di tipo VI

Un'altra nanomacchina è stata descritta dal Dr. Marcus Horwitz, un professore di medicina e microbiologia all'UCLA, immunologia e genetica molecolare, che ha lavorato con la squadra di Zhou. In uno studio pubblicato sulla rivista Cellula , gli scienziati hanno riportato il primo modello di risoluzione atomica di qualsiasi sistema di secrezione di tipo VI, o T6SS, una nanomacchina presente in circa il 25% dei batteri gram-negativi.

I batteri Gram-negativi sono responsabili di malattie come il colera, salmonellosi, Malattia del legionario e melioidosi, e infezioni gravi tra cui gastroenterite, polmonite e meningite. Per il nuovo studio, gli scienziati hanno esaminato Francisella tularensis, un batterio che causa la tularemia ed è di grande preoccupazione come potenziale agente di bioterrorismo.

Costruito da proteine ​​componenti, la nanomacchina T6SS ha una struttura atomica che ricorda un pistone. Quando F. tularensis viene assorbito da un tipo di globuli bianchi chiamati macrofagi, è circondato da una membrana simile a una bolla, una struttura nota come fagosoma. La nanomacchina T6SS si assembla quindi all'interno del batterio, dove immerge un tubo attraverso la parete batterica e la membrana del fagosoma nel citoplasma, la sostanza all'interno del macrofago. Ciò consente al batterio di sfuggire al fagosoma nel citoplasma, dove può completare il suo ciclo di vita e moltiplicarsi. Prossimamente, il macrofago si riempie di batteri e si rompe, liberando i batteri per infettare altre cellule. Così, il T6SS è un nuovo bersaglio per gli antibiotici contro questo batterio, e contro altri che lo usano per sopravvivere all'interno delle cellule ospiti o per combattere i batteri rivali.

"Stiamo già identificando molecole di farmaci che prendono di mira la F. tularensis T6SS, "Horwitz ha detto. "Sapere come funziona questa struttura ci guida nella selezione di molecole di farmaci che ne bloccano l'assemblaggio o la funzione. L'obiettivo generale è trovare nuovi antibiotici che colpiscano direttamente questo agente di bioterrorismo di alto livello e altri batteri gram-negativi con un T6SS come Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei, ed Escherichia coli patogeno."

Horwitz e il suo team potrebbero anche sviluppare farmaci a spettro più ampio che funzionano su molti diversi agenti patogeni gram-negativi che hanno in comune un T6SS.

Pseudomonas aeruginosa

Nell'uomo e negli animali, un batterio chiamato Pseudomonas aeruginosa causa malattie infettive che portano a infiammazione generalizzata e sepsi, una pericolosa infezione del sangue. Un team guidato da Zhou e Miller ha scoperto le strutture atomiche delle piocine di tipo R, sistemi di eiezione contrattile di Pseudomonas aeruginosa. I loro risultati sono stati pubblicati online da Biologia strutturale e molecolare della natura .

Le piocine di tipo R vengono utilizzate dal batterio per inserire rapidamente i loro nanotubi, come arieti, nelle membrane cellulari dei batteri concorrenti per uccidere i concorrenti, dando a Pseudomonas aeruginosa un più facile accesso ai nutrienti. Queste piocine sembrano creare un canale nell'involucro esterno dei batteri bersaglio, che essenzialmente agisce per indebolirlo e ucciderlo. Questa capacità ha reso le piocine di tipo R il fulcro della ricerca su possibili applicazioni antimicrobiche e di bioingegneria, e gli scienziati ritengono che potrebbero essere progettati per dare ai farmaci un potente componente antibatterico.

"La piocina R2 è una straordinaria macchina molecolare che utilizza l'energia della propria batteria biologica per funzionare, " ha detto Miller, che è anche professore di microbiologia, immunologia e genetica molecolare. "È ideale per la progettazione di antibiotici mirati che uccidono i batteri cattivi senza interrompere i batteri intestinali protettivi del paziente".

La scarsità della tecnologia e l'esperienza necessaria per utilizzarla rendono il CNSI una delle poche strutture al mondo in grado di visualizzare strutture atomiche come queste nanomacchine con una risoluzione a livello atomico, ecco perché i ricercatori di tutto il mondo vengono all'UCLA per utilizzare l'Electron Imaging Center for Nanomachines, un laboratorio a pagamento aperto a qualsiasi scienziato del mondo accademico o industriale.

Altri ricercatori dell'UCLA che hanno contribuito ai tre articoli sono stati Daniel Clemens, professore a contratto di medicina; Xuekui Yu, professore a contratto di microbiologia, immunologia e genetica molecolare; Peng Ge, un ricercatore associato; Bai Yu Lee, un ricercatore associato; e Jiansen Jiang, un borsista post-dottorato. Bradley Pentelute del Massachusetts Institute of Technology, R. John Collier della Facoltà di Medicina dell'Università di Harvard, Dean Scholl di AvidBiotics e Petr Leiman dell'Ecole Polytechnique Federale de Lausanne's Institute of Physics of Biological Systems erano gli altri coautori.