科学家研究嗅觉如何在细菌中起作用

MIPT的科学家与国际同行合作，提出了一种通用的细菌嗅觉机制。研究人员从大肠杆菌(大肠杆菌)中获得了NarQ蛋白的结构，该蛋白属于一类通用的感官组氨酸激酶，负责向细菌传递有关其环境的信号。发表在“科学”杂志上的论文描述了细菌如何相互沟通，并在无菌表面或人体内部形成生物膜。

影响这种嗅觉的药物可能被用作现代抗生素的替代品。它们不杀死细菌;它们只是呈现使它们对人体无害的信号。从理论上讲，细菌不会产生抵抗这样的攻击。

细胞嗅觉的两个组成部分

所有细胞都被致密的膜包裹，几乎没有化学物质可以通过。这使细胞能够保持其内部化学条件恒定并正常运行。然而，膜极大地限制了信息与环境的交换。为了感知外面发生的事情，细胞使用称为蛋白质的特殊分子机器。这些蛋白质通常存在于膜本身或靠近膜，它们负责将信号或化学物质传入或传出细胞。

细菌“感知”环境的最普遍机制是所谓的双组分系统。这种系统由两种蛋白质组成：一种激酶，它接收来自细胞外部的信号并将其传递到细胞中;一种反应调节剂，它接收细胞内的信号并触发后续反应。

分子摄影

理解蛋白质如何发挥作用的有用方法是在原子水平上观察它们的结构。目前，大多数蛋白质结构(超过100,000)已经使用X射线晶体学获得。该方法涉及观察以晶格图案排序的蛋白质分子的衍射图案。然而，这仅揭示了蛋白质的一种状态的结构，如照片中所示。如果研究人员可以对过程的初始状态和最终状态进行成像，他们可以猜测蛋白质在这些状态之间切换时的确切运作方式。

膜“活塞”为细胞的嗅觉提供动力

该研究的作者能够从大肠杆菌中获得两种状态的NarQ激酶的结构。该激酶检测环境中硝酸盐的存在，并通过细胞膜发送相应的信号。事实证明，两种状态的传感器都是二聚体，两种蛋白质分子共同作用捕获硝酸盐。第一个状态是无效的 - 蛋白质不与硝酸根离子结合并且不传递信号。第二种状态是活跃的，或发出信号- 在这种状态下，激酶将信号传递到细胞中以通知它硝酸盐存在于环境中。

活性状态的蛋白质结构获得了最可靠的野生型蛋白质，其中一种没有人工突变，科学家经常用它来增加蛋白质的稳定性。为了获得处于非活动状态的结构，作者突变了硝酸盐结合的位点。蛋白质的稳定性没有受到影响;然而，硝酸盐不再与它结合，这使得作者有机会观察到处于不活动状态的激酶。

发现信号传导和非活性状态在硝酸盐结合位点仅非常轻微地相差0.5-1埃，这大约是离子本身大小的五分之一(1埃是10-10米)。然而，当这种离子与传感器结合时，会引起蛋白质的巨大变化。不同单体的螺旋开始向不同方向移动，如活塞。这种分子活塞通过膜传递0.5-1埃的微小变化，并且它们的外端在不同方向上移动大约2.5埃。在单元内部，在HAMP域中，这些移位被转换为NarQ的两个部分相对于彼此的旋转。最终，输出螺旋的位置变化多达7埃，从而完成信号传输。

除了两种蛋白质形成对称对的结构外，科学家们还能够产生一种具有两种蛋白质不对称位置的结构。在这种状态下，蛋白质在晶体中排列不同并且强烈弯曲。然而，对监管机构的影响几乎没有变化。观察到的运动的多功能性表明信号传输机制是通用的，并且其他化学化合物的传感器通过相同的活塞移位机构操作。

“信号如何通过细胞膜传播是现代生物学中最基本的问题之一。在这项研究中，我们详细地展示了信号(在这种情况下是硝酸盐的结合)如何通过数百埃传递到细菌和古细菌以及真菌和植物的细胞。通过更好地了解信号传递的机制，我们可以期待学习如何操纵这些细胞特别是，试图削弱或抵消病原微生物的有害影响，“MIPT膜结构分析和工程系统工程实验室负责人Ivan Gushchin评论了这项研究。

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