Ученые из США и Японии раскрыли, как бактерии справляются с одной из самых прочных структур в организме — коллагеном. Исследование показало, что ключевую роль играет фермент с молекулой необычной формы, напоминающей пончик или бублик. Фермент буквально «разматывает» белок и разрезает его на части. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Как работает «фермент-пончик»
Коллаген — это белок, формирующий основу соединительных тканей. Он обеспечивает эластичность и упругость кожи, силу мышц, гибкость связок и хрящей. Его прочность обеспечивается тремя спирально закрученными цепочками, из-за чего он плохо поддается разрушению обычными ферментами.
Однако некоторые бактерии вырабатывают особый фермент — коллагеназу. Международная команда исследователей установила, что это вещество образует кольцевую структуру, которая «раскрывается», захватывает тройную спираль коллагена, разделяет ее на отдельные нити и постепенно перемещается вдоль молекулы, разрезая ее шаг за шагом.
Такой механизм называют процессивным: фермент не просто делает один разрез, а непрерывно «идет» по белку, эффективно разрушая его структуру. Авторы сравнили коллагеназу с храповиком — зубчатым механизмом, который обеспечивает одностороннюю протяжку приводного элемента в технике.
Коллаген с тройной спиралью развился примерно миллиард лет назад и сыграл ключевую роль в формировании многоклеточных организмов. Плотно скрученная структура защищает пептидные связи белка от легкого разрушения энзимами. Бактериям потребовались сотни миллионов лет, чтобы выработать «ключик» к ферментации коллагена.
Значение для медицины
С одной стороны, этот механизм помогает патогенным бактериям быстро разрушать ткани и распространяться в организме. Например, при молниеносной газовой гангрене, вызываемой почвенными анаэробами-клостридиями, необратимое разрушение живой плоти может происходить со скоростью 2-3 см в час. Без экстренной ампутации конечности неизбежен летальный исход.
С другой стороны, те же свойства делают коллагеназу ценным инструментом в медицине. Она уже применяется при трансплантации клеток поджелудочной железы в рамках лечения диабета, а также при фиброзных заболеваниях, таких как контрактура Дюпюитрена, где избыток коллагена ограничивает подвижность пальцев.
Понимание структуры фермента на молекулярном уровне позволит создавать улучшенные версии таких биомолекул для регенеративной медицины и терапии.
Интересные факты из смежных исследований
Ученые также обнаруживают у бактерий «кольцевые» белки, которые могут менять форму, чтобы оптимально взаимодействовать с ДНК хозяина и управлять делением клеток к выгоде инфекционного агента.
Бактерии считаются непревзойденными «инженерами микромира». Их упорядоченное перемещение способно приводить в движение микроскопические объекты и даже использоваться в создании биогибридных машин.
Коллаген — один из самых распространенных белков в организме человека: он составляет от 30 до 40% всех белков, что объясняет интерес медицины к способам его контролируемого формирования и разрушения.
Тут все точно так же, как в восточных боевых искусствах, таких как дзюдо и айкидо, где боец использует силу противника для получения преимущества. Наше исследование показывает, как бактериальная коллагеназа использует внутреннюю структуру самого коллагена, чтобы стимулировать его деградацию.
Недавно мы рассказали, как реликтовый ген лягушек заживляет раны у млекопитающих.
