De nouvelles recherches mettent en lumière la façon dont différentes espèces bactériennes peuvent construire des nano-harpons complexes avec différents blocs de construction de protéines. Les bactéries utilisent ces harpons appelés systèmes de sécrétion de type VI pour injecter des toxines dans les cellules voisines. Des chercheurs de l'Université de Sheffield ont découvert que si les protéines variaient, il y avait des parties structurellement similaires qui interagissaient avec la machinerie.

Les bactéries produisent des nano-harpons complexes à la surface de leurs cellules. L'une de leurs fonctions est de harponner et d'injecter des toxines dans les cellules à proximité. La production d'une arme aussi complexe nécessite de nombreux composants mobiles différents que les scientifiques tentent toujours de comprendre. Des chercheurs de l'Université de Sheffield ont utilisé certaines des lignes de lumière cristallographiques de Diamond pour comprendre une pièce particulièrement énigmatique de ce petit puzzle. L'équipe dirigée par David Rice et Mark Thomas a travaillé sur un composant protéique du harpon appelé TssA dont ils savaient déjà qu'il faisait partie intégrante de la machinerie.

Cependant, contrairement aux autres composants du harpon, il existe des variantes distinctes de la protéine TssA qui contiennent des séquences d'acides aminés radicalement différentes à une extrémité de la protéine. L'équipe a montré que les structures de la région variable de deux sous-unités différentes de TssA n'étaient absolument pas liées et qu'elles pouvaient s'assembler en complexes multi-sous-unités distinctement différents en termes de taille et de géométrie. Cela a soulevé la question de savoir comment différentes bactéries pourraient utiliser cette protéine avec des structures différentes pour produire un harpon ayant la même fonction pour toutes les espèces. Ils ont constaté qu'en dépit de ces différences, il y avait une région conservée très spécifique à l'autre extrémité de la protéine. Ils émettent l'hypothèse que la région conservée est la partie qui fait le travail et aide le harpon à fonctionner alors que la région variable agit comme un échafaudage. Ils ont utilisé I02, I03 et I24 dans leur étude et prévoient de faire des travaux de suivi en utilisant la cristallographie aux rayons X et la cryo-EM comme celles du centre eBIC de Diamond. La recherche a été publiée dans Communication Nature .

Les nano-harpons bactériens et l'énigmatique protéine TssA

La guerre biologique contre les bactéries est relativement bien connue. Un groupe de bactéries veut s'annexer une ressource rare, ils produisent donc une toxine contre laquelle ils sont immunisés et tuent tous les envahisseurs potentiels. Cependant, certaines bactéries adoptent une approche plus dirigée. Au lieu de cracher des toxines dans le milieu extracellulaire, ils montent des harpons miniatures sur leur surface la plus externe et nagent en injectant des toxines directement dans les agresseurs ou concurrents potentiels. Ce n'est pas une exagération ou une métaphore, en ce moment, les bactéries nagent en rond, se harponnant littéralement les unes les autres jusqu'à la mort. Ces harpons sont appelés systèmes de sécrétion de type VI (T6SS) et depuis leur découverte en 2005, les chercheurs du monde entier tentent de comprendre cet exploit d'ingénierie miniature.

La composition et la complexité de ces machines moléculaires présentent des problèmes parfaits pour la biologie structurelle et de nombreux composants protéiques de ces machines ont été examinés en utilisant la cristallographie aux rayons X ou la cryomicroscopie électronique. La recherche a montré que l'ensemble du système consiste en un complexe protéique qui forme une grande chambre ancrée dans la membrane. Celui-ci contient un tube affûté qui est éjecté dès qu'une gaine qui l'entoure se contracte contre une plaque de base protéique située à la base de la chambre, tirer le harpon sur un voisin sans méfiance.

Bien que l'on comprenne beaucoup de choses sur les T6SS, il reste encore des éléments critiques qui restent énigmatiques, l'un d'eux étant la protéine TssA.

De nombreuses études ont montré que cette protéine fait partie intégrante de la machinerie T6SS, mais la recherche sur l'ADN qui code cette protéine montre qu'entre les espèces, il y a beaucoup de variations. La variation n'est normalement pas souhaitable dans les protéines qui ont une fonction essentielle, si vous avez une recette qui marche, ce n'est pas une bonne idée d'en changer soudainement une partie importante. Cela a soulevé quelques questions, que fait la protéine TssA et quel effet ces variations ont-elles sur la fonction ?

Comment fonctionne la protéine TssA ?

L'équipe de recherche a commencé par analyser la composition en acides aminés de quatre protéines TssA différentes. Ils ont découvert que s'ils alignaient les séquences protéiques, le côté gauche ou N-terminal était toujours très similaire, et le côté droit ou C-terminal variait beaucoup. L'équipe s'est demandé si ces différences empêcheraient la protéine TssA d'interagir comme prévu avec les autres protéines nécessaires à la construction du harpon bactérien. Ils ont effectué des tests en laboratoire et ont découvert qu'en fait, la protéine TssA a interagi avec presque tous les autres composants du harpon exactement comme prévu. Pour comprendre pourquoi, ils ont fait plusieurs voyages à Diamond pour utiliser le I02, Lignes I03 et I24 pour la cristallographie macromoléculaire. En analysant les données des différentes protéines TssA, ils ont découvert qu'elles avaient des structures très différentes. Cela a non seulement affecté l'apparence des protéines individuelles, mais également la façon dont elles interagissaient les unes avec les autres pour former des complexes multi-sous-unités.

L'équipe de recherche connaissait déjà une structure publiée de la protéine qui s'est formée en un anneau à 6 chaînons une fois assemblée. Cependant, leurs nouvelles études ont révélé que différentes versions de la protéine TssA pouvaient former des anneaux à 5 ou 16 membres. Malgré les différences, toutes les protéines TssA avaient une partie structurellement conservée qui était toujours située à l'extérieur des complexes d'assemblage. Cela a conduit l'équipe de recherche à émettre l'hypothèse que c'était cette section conservée qui était impliquée dans le fonctionnement du harpon bactérien. Ils ont estimé que le reste de la protéine qui contenait toute la variation agissait comme un échafaudage pour contenir l'unité de travail du complexe protéique.

Que réserve l'avenir?

Bien que les preuves soient convaincantes, il reste encore du travail à faire. Le professeur David Rice a déclaré que "l'avenir de ce travail consiste à obtenir plus d'exemples de différentes espèces bactériennes et à combiner des données de cristallographie avec des techniques cryo-EM". En fin de compte, l'équipe aimerait étudier la structure et la fonction de l'ensemble du complexe T6SS de différentes bactéries pour vérifier si leur hypothèse est correcte. Ils prévoient d'utiliser la cristallographie aux rayons X sur des lignes de lumière telles que I03, I24 ainsi que le VMXi nouvellement construit. Ils prévoient également d'utiliser Cryo-EM qui est également disponible au centre eBIC de Diamond. La combinaison de ces techniques complémentaires de biologie structurale permettra aux chercheurs de se forger une image plus complète de la construction et du fonctionnement de cette nanomachine complexe.

Les techniques utilisées peuvent également informer d'autres chercheurs ayant des questions similaires. Des données antérieures avaient suggéré que la protéine TssA était un homologue d'une protéine de base trouvée dans le bactériophage. Cette étude a montré que non seulement ce n'était pas le cas, mais que les protéines TssA étaient très différentes les unes des autres et avaient initialement conduit les scientifiques à attribuer à tort la fonction. Travail détaillé sur les séquences protéiques, des études d'interaction et des expériences minutieuses de biologie structurelle ont permis à l'équipe de recherche de Sheffield de découvrir une image plus précise de cette importante arme microbienne.

La recherche présente également un grand intérêt pour les chimistes et les ingénieurs qui peuvent s'inspirer des bactéries pour produire leurs propres nanomachines. Il existe des applications potentielles dans le contrôle des infections où les harpons pourraient être ciblés par de nouveaux médicaments pour désactiver les bactéries qui les utilisent pour provoquer des infections. Il existe également des applications dans l'administration de médicaments où les harpons peuvent être utilisés pour injecter des médicaments à base de peptides et de protéines dans des cellules cibles spécifiques. A un niveau plus fondamental, comprendre simplement comment une machine mobile aussi petite et complexe peut être construite et comment elle fonctionne pourrait un jour nous aider à construire la nôtre.