Atomare Struktur eines Staphylokokken-Bakteriophagen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie

Die Kryo-Elektronenmikroskopie von Forschern der University of Alabama in Birmingham hat die Struktur eines bakteriellen Virus mit beispiellosen Details aufgedeckt. Dies ist die erste Struktur eines Virus, das in der Lage ist, Staphylococcus epidermidis zu infizieren, und das hochauflösende Wissen über die Struktur ist eine Schlüsselverbindung zwischen der Virusbiologie und der möglichen therapeutischen Verwendung des Virus zur Unterdrückung bakterieller Infektionen.

Bakteriophagen oder „Phagen“ sind die Begriffe, die für Viren verwendet werden, die Bakterien infizieren. Die UAB-Forscher unter der Leitung von Terje Dokland, Ph.D., haben in Zusammenarbeit mit Asma Hatoum-Aslan, Ph.D., an der University of Illinois Urbana-Champaign Atommodelle für alle oder einen Teil von 11 verschiedenen Strukturproteinen in beschrieben Phage Andhra. Das Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.

Andhra ist ein Mitglied der Picovirus-Gruppe. Sein Wirtsspektrum ist auf S. epidermidis beschränkt. Dieses Hautbakterium ist meist gutartig, aber auch eine der Hauptursachen für Infektionen von in der Haut befindlichen medizinischen Geräten. „Picoviren kommen selten in Phagensammlungen vor und werden zu wenig untersucht und für therapeutische Anwendungen zu wenig genutzt“, sagte Hatoum-Aslan, Phagenbiologe an der University of Illinois.

Mit dem Auftreten von Antibiotikaresistenzen bei S. epidermidis und dem verwandten Pathogen Staphylococcus aureus haben Forscher erneut Interesse an der potenziellen Verwendung von Bakteriophagen zur Behandlung bakterieller Infektionen. Picoviren töten immer die Zellen, die sie infizieren, nachdem sie sich an die bakterielle Zellwand gebunden haben, diese Wand enzymatisch durchbrechen, die Zellmembran durchdringen und virale DNA in die Zelle injizieren. Sie haben auch andere Eigenschaften, die sie zu attraktiven Kandidaten für therapeutische Zwecke machen, darunter ein kleines Genom und die Unfähigkeit, bakterielle Gene zwischen Bakterien zu übertragen.

Die Kenntnis der Proteinstruktur in Andhra und das Verständnis, wie diese Strukturen es dem Virus ermöglichen, ein Bakterium zu infizieren, wird es ermöglichen, mithilfe genetischer Manipulation maßgeschneiderte Phagen zu produzieren, die auf einen bestimmten Zweck zugeschnitten sind.

„Die strukturelle Grundlage für die Wirtsspezifität zwischen Phagen, die S. aureus und S. epidermidis infizieren, ist noch kaum verstanden“, sagte Dokland, Professor für Mikrobiologie an der UAB und Direktor des UAB Cryo-Electron Microscopy Core. „Mit der vorliegenden Studie haben wir ein besseres Verständnis der Strukturen und Funktionen der Andhra-Genprodukte und der Determinanten der Wirtsspezifität gewonnen und damit den Weg für ein rationaleres Design maßgeschneiderter Phagen für therapeutische Anwendungen geebnet Virion-Montage, Wirtserkennung und Penetration.“

Staphylokokken-Phagen haben typischerweise eine enge Auswahl an Bakterien, die sie infizieren können, abhängig von den variablen Polymeren der Wandteichonsäure auf der Oberfläche verschiedener Bakterienstämme. „Dieses enge Wirtsspektrum ist ein zweischneidiges Schwert: Einerseits ermöglicht es den Phagen, nur den spezifischen Erreger der Krankheit anzugreifen, andererseits bedeutet es, dass der Phagen möglicherweise auf den jeweiligen Patienten zugeschnitten werden muss konkreten Fall“, sagte Dokland.

Die allgemeine Struktur von Andhra ist ein 20-flächiger, rundlicher ikosaedrischer Kapsidkopf, der das virale Genom enthält. Das Kapsid ist an einem kurzen Schwanz befestigt. Der Schwanz ist hauptsächlich für die Bindung an S. epidermidis und das enzymatische Aufbrechen der Zellwand verantwortlich. Die virale DNA wird durch den Schwanz in das Bakterium injiziert. Zu den Segmenten des Schwanzes gehören das Portal vom Kapsid zum Schwanz sowie der Stiel, die Anhänge, der Knopf und die Schwanzspitze.

Die 11 verschiedenen Proteine, aus denen jedes Viruspartikel besteht, befinden sich in mehreren Kopien, die sich zusammenfügen. Beispielsweise besteht das Kapsid aus jeweils 235 Kopien von zwei Proteinen, und die anderen neun Virion-Proteine ​​haben Kopienzahlen von zwei bis 72. Insgesamt besteht das Virion aus 645 Proteinstücken, darunter zwei Kopien eines 12. Proteins, dessen Struktur unter Verwendung des Proteinstrukturvorhersageprogramms AlphaFold vorhergesagt wurde.

Die von Dokland, Hatoum-Aslan und den Co-Erstautoren N’Toia C. Hawkins, Ph.D., und James L. Kizziah, Ph.D., UAB Department of Microbiology, beschriebenen Atommodelle zeigen die Strukturen für jedes Protein – wie in der molekularen Sprache wie Alpha-Helix, Beta-Helix, Beta-Strang, Beta-Fass oder Beta-Prisma beschrieben. Die Forscher haben beschrieben, wie jedes Protein an andere Kopien desselben Proteintyps bindet, um beispielsweise die hexameren und pentameren Seiten des Kapsids zu bilden, und wie jedes Protein mit benachbarten verschiedenen Proteintypen interagiert.

Elektronenmikroskope verwenden einen Strahl beschleunigter Elektronen, um ein Objekt zu beleuchten, und bieten eine viel höhere Auflösung als ein Lichtmikroskop. Die Kryo-Elektronenmikroskopie fügt das Element superkalter Temperaturen hinzu, was sie besonders nützlich für die nahezu atomare Strukturauflösung von größeren Proteinen, Membranproteinen oder lipidhaltigen Proben wie membrangebundenen Rezeptoren und Komplexen aus mehreren Biomolekülen zusammen macht.

In den letzten acht Jahren haben neue Elektronendetektoren einen enormen Auflösungssprung für die Kryo-Elektronenmikroskopie gegenüber der normalen Elektronenmikroskopie geschaffen. Schlüsselelemente dieser sogenannten „Auflösungsrevolution“ für die Kryo-Elektronenmikroskopie sind:

Die Analyse der Andhra-Virionstruktur durch die UAB-Forscher begann mit 230.714 Partikelbildern. Die molekulare Rekonstruktion des Kapsids, des Schwanzes, des distalen Schwanzes und der Schwanzspitze begann mit 186.542, 159.489, 159.489 bzw. 159.489 Bildern. Die Auflösung reichte von 3,50 bis 4,90 Angström.