Nieuwe afbeeldingen onthullen details van moleculaire injectiespuiten van twee bacteriën

Sommige bacteriën dragen kleine injectiespuiten gevuld met chemicaliën die concurrenten kunnen uitdunnen of roofdieren kunnen uitschakelen. Nu hebben onderzoekers deze spuiten, technisch bekend als contractiele injectiesystemen, van een soort cyanobacteriën en een mariene bacterie van dichtbij bekeken.

Uitzoeken hoe de belangrijkste onderdelen van de moleculaire spuiten werken, kan wetenschappers helpen hun eigen nanomachines te ontwikkelen. Machines voor kunstmatige injectie kunnen antibiotica sturen tegen lastige bacteriën, terwijl vriendelijke microben onaangeroerd blijven.

Genen die coderen voor delen van de injectiemachine, worden in veel bacteriesoorten aangetroffen. Maar “alleen al door naar de genen te kijken, is het vrij moeilijk om te voorspellen hoe deze contractiele injectiesystemen werken”, zegt Gregor Weiss, een cellulaire structurele bioloog bij ETH Zürich.

Dus onderzochten Weiss en collega’s bacteriespuiten met behulp van cryo-elektronenmicroscopie, waarbij cellen flitsend worden bevroren om cellulaire structuren vast te leggen zoals ze er normaal gesproken in de natuur uitzien (SN: 22-06-17).

Eerder hebben onderzoekers injectiespuiten gevonden die verankerd zijn in de buitenmembranen van sommige bacteriën, waar de bacteriën hun lading in cellen kunnen schieten waar ze tegenaan lopen. Injectoren van andere soorten spuiten hun inhoud in de omgeving.

Maar in een soort cyanobacteriën genaamd Anabaenade spuiten bevinden zich op een ongebruikelijke plaats, genesteld in het membraan van de interne structuur waar de bacteriën fotosynthese uitvoerenWeiss en collega’s rapporteren in maart Natuur Microbiologie. Begraven in de cellen, “het is moeilijk voor te stellen hoe” [the syringes] zou eruit kunnen komen en interactie kunnen hebben met het doelorganisme, “zegt Weiss.

Anabaena kan zijn spuiten tegen zichzelf gebruiken om geprogrammeerde celdood te activeren wanneer de cyanobacteriën onder stress komen te staan. In de experimenten van het team zorgden ultraviolet licht of hoge zoutniveaus in water ervoor dat sommige spuiten hun lading dumpten. Dat leidde tot de dood van sommigen Anabaena cellen in de lange ketens waarin de cyanobacteriën groeien en holle “spookcellen” vormen.

Spookcellen werpen hun buitenwand en membraan af, waardoor niet-afgevuurde spuiten in het binnenmembraan aan de buitenkant worden blootgesteld. De geesten kunnen zich gedragen als Trojaanse paarden en hun dodelijke lading afleveren aan roofdieren of concurrenten, veronderstelt het team. De onderzoekers hebben nog niet gevonden van welke organismen het waarschijnlijke doelwit is Anabaena’s spuiten.

Binnen een soort mariene bacterie genaamd Algoriphagus machipongonensis, het verhaal is een beetje anders. Hier, de spuiten een andere architectuur hebben en los drijven in de bacteriecelETH Zürich’s Charles Ericson en collega’s rapporteren in de maart Natuur Microbiologie. De injectoren zitten ook in de vloeistof waarin de bacteriën in het laboratorium worden gekweekt, maar hoe ze uit de cel komen is een raadsel. Misschien komen ze vrij als de bacteriën doodgaan of worden opgegeten door een roofdier, zegt Ericson.

Het team vond ook twee eiwitten geladen in de Algorifaag’ spuiten, maar wat die eiwitten doen, is niet bekend. De onderzoekers probeerden genetische manipulatie E coli om een ​​van de eiwitten te produceren, maar het doodt de bacteriën, zegt co-auteur Jingwei Xu, ook bij ETH Zürich.

Door de structuren van spuiten van verschillende soorten te vergelijken, identificeerden de onderzoekers bepaalde structuren in de machines die vergelijkbaar zijn, maar enigszins verschillen van soort tot soort. Door te leren hoe die aanpassingen de manier waarop de injectoren werken veranderen, kunnen onderzoekers verschillende ladingen in de buizen laden of de spuiten richten op specifieke bacteriën of andere organismen. “Nu hebben we de algemene blauwdruk”, zegt Ericson, “kunnen we die opnieuw ontwerpen?”