Los investigadores del California NanoSystems Institute de UCLA se han convertido en los primeros en producir imágenes de las estructuras atómicas de tres nanomáquinas biológicas específicas, cada uno derivado de una bacteria potencialmente mortal diferente, un logro que esperan que conduzca a antibióticos dirigidos a patógenos específicos.

Los científicos utilizaron una tecnología de vanguardia llamada microscopía electrónica criogénica, o cryoEM, para revelar la forma y función de estas importantes estructuras. Los artículos sobre sus hallazgos se publicaron en tres revistas de primer nivel: Naturaleza , Celda , y Biología estructural y molecular de la naturaleza .

Dos de las nanomáquinas son estructuras llamadas sistemas de eyección contráctiles, que sus bacterias utilizan para transferir moléculas tóxicas a células sanas para usurparlas para sus propios fines, para atacar a las bacterias rivales llevándoles toxinas, y otras funciones. Estas estructuras tienen conjuntos de vaina-tubo que crean aberturas en las membranas externas de las células diana a través de las cuales pueden insertar moléculas tóxicas.

La tercera nanomáquina, diferente de las otras dos, es una estructura de poros que libera la letal toxina del ántrax en las células de los mamíferos. una vez que la bacteria del ántrax está en el torrente sanguíneo. Este mecanismo es la forma en que las bacterias del ántrax activan la enfermedad en un animal o persona infectados.

Cómo funcionan las nanomáquinas no se había entendido bien, pero los investigadores de UCLA utilizaron un cryoEM equipado con una cámara especial llamada detector directo de electrones para producir imágenes muy detalladas. Los científicos esperan que la nueva información sobre su funcionamiento les permita crear antibióticos que se dirijan a patógenos bacterianos.

El equipo, dirigido por Hong Zhou, profesor de microbiología, inmunología y genética molecular, y de química y bioquímica, dirige el laboratorio del Centro de imágenes de electrones para nanomáquinas, que tiene su sede en el CNSI y alberga el microscopio electrónico Titan Krios de UCLA, un crioEM muy sofisticado y poco común.

"Como pieza central de nuestro laboratorio central de microscopía electrónica, el microscopio crioelectrónico permite la exploración de un nuevo territorio en biología molecular, "dijo Jeff Miller, director del California NanoSystems Institute. "Estas imágenes sin precedentes nos permiten comprender el funcionamiento real de estas notables estructuras".

Toxina ántrax

En un artículo publicado en línea por Naturaleza , El profesor Zhou y su equipo informaron que fueron los primeros en determinar la estructura atómica del poro de la toxina del ántrax. la principal molécula de enfermedad de Bacillus anthracis, la bacteria que causa la enfermedad del ántrax en humanos y animales. La estructura atómica del poro de la toxina del ántrax tiene forma de hongo con una puerta dentro del "eje".

El hallazgo confirma cómo afecta la enfermedad a las células. Cuando las células sanas encuentran objetos a nanoescala en el cuerpo, asumen que los objetos son nutrientes y los absorben. Como un caballo de Troya, el poro de la toxina les parece a las células como algo beneficioso; en este caso, un nutriente y es absorbido por la célula. Pero una vez dentro de la celda, el poro detecta el cambio a un ambiente más ácido, que abre la puerta del poro y libera la molécula de la toxina del ántrax en la célula.

"Este es un paso muy importante para comprender este mecanismo, y es esencial para cualquier contramedida contra el ántrax, ", Dijo Zhou." También informa nuestra comprensión de los mecanismos de otras toxinas que funcionan como el ántrax, lo que podría conducir a otros antibióticos dirigidos ".

Sistema de secreción de tularemia tipo VI

Otra nanomáquina fue descrita por el Dr. Marcus Horwitz, un profesor de medicina y microbiología de UCLA, inmunología y genética molecular, que trabajó con el equipo de Zhou. En un estudio publicado en la revista Celda , los científicos informaron del primer modelo de resolución atómica de cualquier sistema de secreción de tipo VI, o T6SS, una nanomáquina que se encuentra en aproximadamente el 25 por ciento de las bacterias gramnegativas.

Las bacterias gramnegativas son responsables de enfermedades como el cólera, salmonelosis, Enfermedad del legionario y melioidosis, e infecciones graves, incluida la gastroenteritis, neumonía y meningitis. Para el nuevo estudio, los científicos examinaron Francisella tularensis, una bacteria que causa tularemia y es de gran preocupación como agente potencial de bioterrorismo.

Construido a partir de proteínas componentes, la nanomáquina T6SS tiene una estructura atómica que se asemeja a un pistón. Cuando F. tularensis se incorpora a un tipo de glóbulo blanco llamado macrófago, está rodeado por una membrana similar a una burbuja, una estructura conocida como fagosoma. La nanomáquina T6SS luego se ensambla dentro de la bacteria, donde sumerge un tubo a través de la pared bacteriana y la membrana del fagosoma en el citoplasma, la sustancia dentro del macrófago. Esto permite que la bacteria escape del fagosoma al citoplasma, donde puede completar su ciclo de vida y multiplicarse. Pronto, el macrófago se llena de bacterias y se rompe, liberando las bacterias para infectar otras células. Por lo tanto, el T6SS es un objetivo novedoso para los antibióticos contra esta bacteria, y contra otros que lo utilizan para sobrevivir dentro de las células huésped o para combatir bacterias rivales.

"Ya estamos identificando moléculas de fármacos que se dirigen a F. tularensis T6SS, ", Dijo Horwitz." Saber cómo funciona esta estructura nos guía en la selección de moléculas de fármacos que bloquean su ensamblaje o función. El objetivo general es encontrar nuevos antibióticos que se dirijan directamente a este agente bioterrorista de primer nivel y a otras bacterias gramnegativas con T6SS como Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei, y Escherichia coli patógena ".

Horwitz y su equipo también podrían desarrollar medicamentos de espectro más amplio que funcionen en muchos patógenos gramnegativos diferentes que tienen en común un T6SS.

Pseudomonas aeruginosa

En humanos y animales, una bacteria llamada Pseudomonas aeruginosa causa enfermedades infecciosas que conducen a inflamación generalizada y sepsis, una peligrosa infección de la sangre. Un equipo dirigido por Zhou y Miller descubrió las estructuras atómicas de las piocinas de tipo R, sistemas de eyección contráctiles de Pseudomonas aeruginosa. Sus hallazgos fueron publicados en línea por Biología estructural y molecular de la naturaleza .

Las piocinas de tipo R son utilizadas por la bacteria para insertar rápidamente sus nanotubos, como arietes, en las membranas celulares de las bacterias competidoras para matar a los competidores, dando a Pseudomonas aeruginosa un acceso más fácil a los nutrientes. Estas piocinas parecen crear un canal en la envoltura exterior de la bacteria objetivo, que esencialmente actúa para debilitarlo y matarlo. Esta capacidad ha convertido a las piocinas de tipo R en el centro de la investigación sobre posibles aplicaciones antimicrobianas y de bioingeniería. y los científicos creen que podrían diseñarse para dar a los medicamentos un poderoso componente antibacteriano.

"La piocina R2 es una máquina molecular extraordinaria que utiliza energía de su propia batería biológica para funcionar, "dijo Miller, quien también es profesor de microbiología, inmunología y genética molecular. "Es ideal para diseñar antibióticos específicos que maten las bacterias malas sin alterar las bacterias intestinales protectoras del paciente".

La escasez de la tecnología y la experiencia necesaria para usarla hacen de CNSI una de las pocas instalaciones del mundo capaces de obtener imágenes de estructuras atómicas como estas nanomáquinas a una resolución de nivel atómico. razón por la cual investigadores de todo el mundo vienen a UCLA para utilizar el Centro de imágenes de electrones para nanomáquinas, un laboratorio de pago por servicio abierto a cualquier científico del ámbito académico o industrial.

Otros investigadores de UCLA que contribuyeron a los tres artículos fueron Daniel Clemens, profesor adjunto de medicina; Xuekui Yu, profesor asistente adjunto de microbiología, inmunología y genética molecular; Peng Ge, un investigador asociado; Bai-Yu Lee, un investigador asociado; y Jiansen Jiang, un becario postdoctoral. Bradley Pentelute del Instituto de Tecnología de Massachusetts, R. John Collier de la Facultad de Medicina de la Universidad de Harvard, Dean Scholl de AvidBiotics y Petr Leiman del Instituto de Física de Sistemas Biológicos de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne fueron los otros coautores.