Крошечные белковые трубочки помогают Bacillus subtilis увеличить выработку энергии без увеличения площади клеточной мембраны.
По сравнению с клетками человека, в которых энергия вырабатывается множеством митохондрий, бактериальные клетки сталкиваются с проблемой выработки энергии. Большинство бактерий вырабатывают энергию с помощью клеточных компонентов, находящихся в их мембране. Это создаёт сложную проблему - чем больше энергии должна произвести бактерия, тем больше места ей требуется для белков, липидов и других молекул, участвующих в клеточном дыхании. Учитывая ограниченную площадь мембраны, простое добавление большего количества этих компонентов может привести к нехватке места.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Microbiology, показало, что бактерия Bacillus subtilis, по-видимому, может обойти это ограничение, создавая микроскопические трубочки из белков и липидов, которые расширяют границы её системы выработки энергии за пределы клеточной мембраны. «Это почти как подключить удлинитель к розетке», — говорит Эшли Кропп, соавтор исследования из Мельбурнского университета (Австралия). Это открытие выявляет новый способ, с помощью которого бактерии могут увеличить свою дыхательную способность, не прибегая к простому наращиванию мембраны. «Если это правда, то это похоже на совершенно новый механизм», — отмечает молекулярный биофизик Нихил Мальванкар, не участвовавший в исследовании.
Митохондрии похожи на просторные кухни с большим количеством рабочей поверхности и электророзетками. «Больше пространства и больше розеток означают, что митохондрии могут «готовить» быстрее и эффективнее, чем бактерии, работающие на тесной кухне с одной розеткой. Так как же бактерии обходят эту нехватку пространства и розеток? Именно на этот вопрос мы и постарались ответить», — рассказала Кропп.
В ходе предыдущего исследования Кропп и её коллеги обнаружили, что некоторые бактерии используют белок, транспортирующий хиноны, для обеспечения клеточного дыхания. Хиноны обычно переносят электроны через клеточную мембрану в процессе клеточного дыхания, а белок, транспортирующий хиноны, может способствовать связыванию этого процесса переноса электронов с механизмом выработки энергии в клетке. «После открытия первого [белка, транспортирующего хинон] мы начали искать в геномах бактерий, существуют ли какие-либо похожие белки», — рассказывает Кропп.
Аналогичную структуру удалось обнаружить у почвенной бактерии B. subtilis. Эта структура состояла из двух белков: никотинамидадениндинуклеотиддегидрогеназы (Ndh) и Ndh-связывающего белка (Ncp). По четыре копии каждого белка собираются в комплекс, причем Ncp образует полую трубку. Затем несколько таких комплексов могут соединяться концами друг с другом, образуя более длинный филамент. Это означает, что бактерия может выносить свою систему выработки энергии за пределы клеточной мембраны, вместо того чтобы размещать всю систему непосредственно в самой мембране. По мнению исследователей, полое внутреннее пространство этого филамента особенно важно, поскольку оно создает гидрофобный канал, способный пропускать хиноны. Таким образом, вместо того чтобы полностью полагаться на диффузию молекул через мембрану, эта структура потенциально может обеспечить ограниченный путь для перемещения хинонов между компонентами дыхательной системы. «Нити, транспортирующие хиноны, похожи на разветвитель. Они подключаются к мембране через одну "розетку" (точку доступа), но могут направлять энергию к нескольким «устройствам», расширяя энергетические возможности бактерий», — объясняет Кропп.
Кропп и её исследовательская группа также хотели выяснить, могут ли эти филаменты действительно образовываться внутри B. subtilis, а не появляться только тогда, когда исследователи синтезируют белки в лаборатории. С помощью криоэлектронной микроскопии отдельных частиц они заморозили материал, взятый из клеток B. subtilis, и исследовали отдельные белковые комплексы, обнаружив структуры, похожие на те, что они синтезировали в лаборатории. Это позволило предположить, что комплексы Ndh–Ncp могут естественным образом собираться в нити, транспортирующие хиноны, внутри бактерии.
Однако Мальванкар, изучающий бактериальные структуры, транспортирующие электроны, заинтересовался, действительно ли хиноны перемещаются через полый центр этой структуры. «Компьютерное моделирование показывает, что хиноны могут проходить через трубку, но для подтверждения этого факта и определения скорости их движения по-прежнему необходимы прямые измерения», — полагает он. Длина филаментов также удивила Мальванкара. Он отметил, что другие бактериальные филаментные структуры, такие как пили и жгутики, могут быть примерно в 10 раз длиннее самих бактерий, которые их производят. Исследованные ранее электропроводящие бактериальные "нанопровода" также могут простираться далеко за пределы организмов, которые их производят.
