Wissenschaftler haben eine neue Art von bakteriellem Schutz vor Toxinen entdeckt

Forscher von Skoltech, MSU, Sirius University of Science and Technology und Institute of Bioorganic Chemistry of RAS untersuchten die Rolle zweier bakterieller Gene, die dabei helfen, die Integrität der ribosomalen RNA gegen ein RNA-schädigendes Ribotoxin, das von anderen Bakterien produziert wird, aufrechtzuerhalten. Sie bestätigten die Rolle beider Gene im Reparaturprozess von gebrochener RNA und zeigten weiter, dass sogar eines von ihnen allein ausreichen kann, um die Schutzwirkung zu erzielen. Diese Ergebnisse werden Wissenschaftlern helfen, bakterielle Abwehrmechanismen besser zu verstehen und zu überwinden, insbesondere in dieser Zeit, in der Krankheitserreger mit Mehrfachresistenz in einem Umweltökosystem bestehen bleiben. Die Studie wurde im veröffentlicht Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften.

Die meisten mikrobiellen Gemeinschaften werden durch eine Vielzahl von Arten und Stämmen repräsentiert, die ständig um begrenzte Ressourcen konkurrieren. Ressourcenknappheit und der Drang nach Weltraum provozieren ein Wettrüsten zwischen Bakterien: Einige Arten haben sich entwickelt, um eine Vielzahl von Toxinen zu erwerben, die sie unter Stress an potenzielle Konkurrenten abgeben, als Reaktion darauf haben andere möglicherweise Werkzeuge entwickelt, um ihre Aktion zu bekämpfen. Oft ist die molekulare Schlüsselmaschinerie der Zelle, insbesondere das Proteinsynthesesystem, ein solches anfälliges Ziel für eine Reihe schädlicher Toxine. Es wurde zuvor gezeigt, dass die Wirkung einer Reihe von Toxinen die Integrität des RNA-Moleküls (der RNA-Moleküle) in der Zusammensetzung von Ribosomen – Zellfabriken für die Proteinproduktion – schädigt.

„Bakterienzellen versuchen ständig zu überleben, sie versuchen immer, in einem Ökosystem zu dominieren. Um die Vorherrschaft zu erlangen, müssen sie in der Lage sein, anderen Waffen zu widerstehen, die von bedrohlichen Bakterien eingesetzt werden. Da RNA oft zum Ziel wird, spekulieren Wissenschaftler über mögliche Ersatzsysteme dafür Bakterien können sich darunter verwerten, wenn die RNA-Integrität beeinträchtigt ist“, erklärt Tinashe Prince Maviza, Skoltech Ph.D. Studentin und Erstautorin der Studie.

Colicine sind eine Klasse bakterieller Toxine, die in die Umwelt freigesetzt werden, um andere Bakterienstämme zu schädigen. Verschiedene Arten von Colicinen wirken auf verschiedene Elemente der Zellmaschinerie. Colicin E3 Ribotoxin vermittelt die Spaltung des ribosomalen RNA (rRNA)-Moleküls im Dekodierungszentrum des Ribosoms – der Stelle, an der Informationen über die in mRNA kodierte Proteinstruktur gelesen werden und die Proteinsynthese stattfindet. Um mit diesem kritischen Zusammenbruch fertig zu werden, der schließlich zum Zelluntergang führt, haben Bakterien anscheinend Systeme entwickelt, um Schäden durch Colicine zu reparieren.

Es wurde zuvor in vitro gezeigt, dass zwei benachbarte Gene, prfH und rtcB2, die sporadisch über verschiedene Bakterienstämme verteilt sind, möglicherweise mit dem Ribosomenschaden befasst sind. In diesem Artikel modellieren die Autoren, dass, wenn das Ribosom durch Colicin E3 beschädigt wird, PrfH hilft, das Ribosom in separate Untereinheiten zu zerlegen, was anschließend RtcB2 ermöglicht, die Wiederherstellung der defekten Substrate des Dekodierzentrums zu unterstützen.

In der neuen Studie zeigten die Wissenschaftler, dass diese beiden Gene Resistenz gegen die Toxizität von E3 Colicin in vivo verleihen. Sie zeigten experimentell, dass Bakterien der Wirkung von Colicin E3 nicht mehr widerstehen können, wenn beide Gene aus dem Genom von Escherichia coli entfernt werden. Aber wenn beide in einem Plasmid – einem kleinen Stück genetischen Materials – wieder in die Zelle eingeführt werden, wird die Colicin-E3-Resistenz wiederhergestellt. Interessanterweise stellte sich heraus, dass eine Überexpression von rtcB2 für eine Anti-Colicin-Wirkung ausreichend war. Diese Ergebnisse heben ein Anti-Konflikt-System hervor, das sich entwickelt haben könnte, um die Aktivität von Colicin E3 zu vereiteln. In Zukunft müssen Wissenschaftler die molekularen Mechanismen, die diesen Schutz bewirken, im Detail verstehen.

„Wir sind in die Ära der bakteriellen Multidrug-Resistenz eingetreten, in der Bakterien Resistenzen gegen mehrere antimikrobielle Medikamente entwickeln. Daher versuchen Wissenschaftler, Mechanismen zu enträtseln, die Zellen helfen, unter einer Vielzahl von Bedingungen und Behandlungen zu gedeihen und zu überleben. Darüber hinaus könnte die Entflechtung einiger dieser Mechanismen möglich sein für die Wirkstoffforschung und/oder artspezifische Therapie wichtig sein“, schließt Tinashe.