Des chercheurs du California NanoSystems Institute de l'UCLA sont devenus les premiers à produire des images des structures atomiques de trois nanomachines biologiques spécifiques, chacun dérivé d'une bactérie potentiellement mortelle différente - une réalisation qu'ils espèrent conduire à des antibiotiques ciblés contre des agents pathogènes spécifiques.

Les scientifiques ont utilisé une technologie de pointe appelée cryomicroscopie électronique, ou cryoEM, pour révéler la forme et la fonction de ces structures importantes. Des articles sur leurs découvertes ont été publiés dans trois revues de premier plan : La nature , Cellule , et Nature Biologie structurale et moléculaire .

Deux des nanomachines sont des structures appelées systèmes d'éjection contractile, que leurs bactéries utilisent pour transférer des molécules toxiques dans des cellules saines pour les usurper à leurs propres fins, attaquer les bactéries rivales en leur livrant des toxines, et d'autres fonctions. Ces structures ont des assemblages gaine-tube qui créent des ouvertures dans les membranes externes des cellules cibles à travers lesquelles elles peuvent insérer des molécules toxiques.

La troisième nanomachine, différente des deux autres, est une structure de pores qui libère la toxine mortelle de l'anthrax dans les cellules de mammifères, une fois que la bactérie du charbon est dans le sang. Ce mécanisme est la façon dont les bactéries du charbon activent la maladie chez un animal ou une personne infectée.

Le fonctionnement des nanomachines était mal compris, mais les chercheurs de l'UCLA ont utilisé un cryoEM équipé d'une caméra spéciale appelée détecteur direct d'électrons pour produire des images très détaillées. Les scientifiques espèrent que les nouvelles informations sur leur fonctionnement leur permettront de créer des antibiotiques qui ciblent les agents pathogènes bactériens.

L'équipe, dirigé par Hong Zhou, professeur de microbiologie, immunologie et génétique moléculaire, et de chimie et biochimie, dirige le laboratoire Electron Imaging Center for Nanomachines, qui est basé au CNSI et abrite le microscope électronique Titan Krios de l'UCLA, un cryoEM très sophistiqué et rare.

« En tant que pièce maîtresse de notre laboratoire central de microscopie électronique, le cryomicroscope électronique permet d'explorer de nouveaux territoires en biologie moléculaire, " a déclaré Jeff Miller, directeur du California NanoSystems Institute. « Ces images inédites nous permettent de comprendre le fonctionnement réel de ces structures remarquables. »

Toxine charbonneuse

Dans un article publié en ligne par La nature , Le professeur Zhou et son équipe ont rapporté qu'ils ont été les premiers à déterminer la structure atomique du pore de la toxine du charbon, la principale molécule pathogène de Bacillus anthracis, la bactérie qui cause la maladie du charbon chez les humains et les animaux. La structure atomique du pore de la toxine charbonneuse est en forme de champignon avec une porte à l'intérieur du « arbre ».

La découverte confirme comment la maladie affecte les cellules. Lorsque des cellules saines rencontrent des objets nanométriques dans le corps, ils supposent que les objets sont des nutriments et les absorbent. Comme un cheval de Troie, le pore de la toxine apparaît aux cellules comme quelque chose de bénéfique - dans ce cas, un nutriment et est absorbé par la cellule. Mais une fois à l'intérieur de la cellule, le pore perçoit le passage à un environnement plus acide, qui ouvre la porte du pore et libère la molécule de toxine du charbon dans la cellule.

"C'est une étape très importante vers la compréhension de ce mécanisme, et il est essentiel pour toute contre-mesure à l'anthrax, " a déclaré Zhou. " Cela éclaire également notre compréhension des mécanismes d'autres toxines qui fonctionnent comme l'anthrax, ce qui pourrait conduire à d'autres antibiotiques ciblés."

Système de sécrétion de la tularémie de type VI

Une autre nanomachine a été décrite par le Dr Marcus Horwitz, professeur de médecine et de microbiologie à l'UCLA, immunologie et génétique moléculaire, qui a travaillé avec l'équipe de Zhou. Dans une étude publiée dans la revue Cellule , les scientifiques ont signalé le premier modèle de résolution atomique de tout système de sécrétion de type VI, ou T6SS, une nanomachine trouvée dans environ 25 pour cent des bactéries gram-négatives.

Les bactéries à Gram négatif sont responsables de maladies telles que le choléra, salmonellose, La maladie du légionnaire et la mélioïdose, et les infections graves, y compris la gastro-entérite, pneumonie et méningite. Pour la nouvelle étude, les scientifiques ont examiné Francisella tularensis, une bactérie qui provoque la tularémie et est très préoccupante en tant qu'agent potentiel de bioterrorisme.

Construit à partir de protéines composantes, la nanomachine T6SS a une structure atomique qui ressemble à un piston. Lorsque F. tularensis est absorbé dans un type de globule blanc appelé macrophage, il est entouré d'une membrane en forme de bulle, une structure connue sous le nom de phagosome. La nanomachine T6SS s'assemble ensuite à l'intérieur de la bactérie, où il plonge un tube à travers la paroi bactérienne et la membrane du phagosome dans le cytoplasme, la substance à l'intérieur du macrophage. Cela permet à la bactérie de s'échapper du phagosome dans le cytoplasme, où il peut terminer son cycle de vie et se multiplier. Bientôt, le macrophage se remplit de bactéries et se rompt, libérant les bactéries pour infecter d'autres cellules. Ainsi, le T6SS est une nouvelle cible pour les antibiotiques contre cette bactérie, et contre d'autres qui l'utilisent pour survivre dans les cellules hôtes ou pour combattre des bactéries rivales.

« Nous identifions déjà des molécules médicamenteuses qui ciblent le F. tularensis T6SS, " a déclaré Horwitz. " Savoir comment fonctionne cette structure nous guide dans la sélection des molécules médicamenteuses qui bloquent son assemblage ou sa fonction. L'objectif global est de trouver de nouveaux antibiotiques qui ciblent directement cet agent bioterroriste de premier plan et d'autres bactéries gram-négatives avec un T6SS telles que Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei, et Escherichia coli pathogène."

Horwitz et son équipe pourraient également développer des médicaments à spectre plus large qui agissent sur de nombreux agents pathogènes à Gram négatif différents qui ont en commun un T6SS.

Pseudomonas aeruginosa

Chez les humains et les animaux, une bactérie appelée Pseudomonas aeruginosa provoque des maladies infectieuses qui entraînent une inflammation généralisée et une septicémie, une infection dangereuse du sang. Une équipe dirigée par Zhou et Miller a découvert les structures atomiques des pyocines de type R, systèmes d'éjection contractile de Pseudomonas aeruginosa. Leurs conclusions ont été publiées en ligne par Nature Biologie structurale et moléculaire .

Les pyocines de type R sont utilisées par la bactérie pour insérer rapidement leurs nanotubes, comme des béliers, dans les membranes cellulaires des bactéries concurrentes pour tuer les concurrents, donnant à Pseudomonas aeruginosa un accès plus facile aux nutriments. Ces pyocines semblent créer un canal dans l'enveloppe externe de la bactérie cible, qui agit essentiellement pour l'affaiblir et le tuer. Cette capacité a fait des pyocines de type R le centre de la recherche sur d'éventuelles applications antimicrobiennes et bio-ingénierie, et les scientifiques pensent qu'ils pourraient être conçus pour donner aux médicaments un puissant composant antibactérien.

"La pyocine R2 est une machine moléculaire extraordinaire qui utilise l'énergie de sa propre batterie biologique pour fonctionner, " dit Miller, qui est également professeur de microbiologie, immunologie et génétique moléculaire. "Il est idéal pour concevoir des antibiotiques ciblés qui tuent les mauvaises bactéries sans perturber les bactéries intestinales protectrices du patient."

La rareté de la technologie et l'expertise nécessaire pour l'utiliser font du CNSI l'une des rares installations au monde capable d'imager des structures atomiques comme ces nanomachines à une résolution de niveau atomique, c'est pourquoi des chercheurs du monde entier viennent à l'UCLA pour utiliser l'Electron Imaging Center for Nanomachines, un laboratoire rémunéré à l'acte ouvert à tout scientifique universitaire ou industriel.

D'autres chercheurs de l'UCLA qui ont contribué aux trois articles étaient Daniel Clemens, professeur adjoint de médecine; Xuekui Yu, professeur adjoint adjoint de microbiologie, immunologie et génétique moléculaire; Peng Gé, un associé de recherche; Bai Yu Lee, un chercheur associé; et Jiansen Jiang, un stagiaire postdoctoral. Bradley Pentelute du Massachusetts Institute of Technology, R. John Collier de la faculté de médecine de l'Université Harvard, Dean Scholl d'AvidBiotics et Petr Leiman de l'Institut de physique des systèmes biologiques de l'École polytechnique fédérale de Lausanne étaient les autres co-auteurs.