Миллиарды лет вирусы и бактерии участвовали в нескончаемой гонке вооружений, и это привело к тому, что один хищник превратился в «монстра с хвостом».
Уникальный вирус, пожирающий бактерии, или бактериофаг, официально называется P74-26, хотя в просторечии он более известен как вирус «Рапунцель».
Подобно абсурдно длинным локонам сказочной принцессы, «конский хвост» возбудителя выделяется в толпе себе подобных.
При длине около микрометра этот придаток в 10 раз длиннее, чем у большинства других бактериофагов.
На самом деле у него самый длинный хвост из всех известных вирусов и, как ни странно, самый стабильный.
Согласно новому исследованию, этот впечатляющий придаток, вероятно, позволяет вирусу Рапунцель находить и прокалывать одну из самых стойких бактерий на Земле в одной из самых негостеприимных сред.
В бурлящих горячих источниках, температура которых достигает более 77°C, вирус Рапунцель живет, заражая бактерию Thermus thermophilus и используя механизмы другой клетки для размножения.
Соединяя воедино множество изображений хвоста вируса в различных точках его строения, ученые смогли разгадать его уникальную структуру. Компьютерное моделирование еще больше прояснило «сложно переплетенную сеть взаимодействий», которая координируется для создания этого впечатляюще длинного зонда.
«Мы использовали метод криоэлектронной микроскопии, который представляет собой огромный микроскоп, позволяющий нам делать тысячи изображений и коротких видеороликов с очень большим увеличением», объясняет микробиолог Эмили Агнелло из Медицинской школы Чан Массачусетского университета (UMass).
«Сделав множество снимков хвостовых трубок фага и сложив их вместе, мы смогли точно выяснить, как эти строительные блоки соединяются друг с другом».
Хвосты бактериофагов бывают разной длины и формы: некоторые длинные, некоторые эластичные, некоторые короткие и некоторые жесткие. Эти молекулярные «машины» эволюционировали, чтобы распознавать определенные бактериальные клетки-хозяева, прежде чем проникнуть в них, а затем доставить их геном в цитоплазму для репликации.
Учитывая замкнутый характер этой атаки, у бактериофагов существует большое разнообразие хвостов, которые можно найти практически в каждой среде обитания на Земле. Но чем именно отличаются эти хвосты?
На сегодняшний день ученые охарактеризовали очень мало взаимодействий фаг-хозяин, и теперь, когда устойчивость к антибиотикам представляет собой растущую угрозу для здоровья человека, эксперты обращаются к фагам за идеями о том, как победить супербактерии.
Например, хвост вируса Рапунцель кажется такой угрозой для бактерий из-за того, как его строительные блоки сцепляются и складываются.
Исследователи говорят, что, несмотря на свой огромный размер, хвост вируса состоит из вдвое меньшего количества строительных блоков, чем другие бактериофаги, и это, похоже, имеет большое значение.
«Мы думаем, что произошло то, что какой-то древний вирус объединил свои строительные блоки в один белок», говорит биохимик Брайан Келч из Массачусетского университета.
«Представьте, что два маленьких кубика Lego сплавлены в один большой без швов. Этот длинный хвост построен из более крупных и прочных строительных блоков. Мы думаем, что это может стабилизировать хвост при высоких температурах».
Эти сверхпрочные блоки складываются с помощью механизма, похожего на «шар и гнездо» и на кирпичики Lego, у которых одна сторона покрыта шипами, а другая – карманом.
У вирусов каждый из этих строительных блоков имеет кольцеобразную форму, что означает, что весь хвост в завершенном виде образует полую трубку. Это канал, по которому вирус отправляет свой геном после проникновения в бактериальную клетку.
«Наше исследование показывает, что эти строительные блоки могут менять форму или конформацию, когда они собираются вместе», говорит Эмили Агнелло. «Это изменение формы важно для того, чтобы строительные блоки соответствовали друг другу и образовывали правильную структуру хвостовой трубы».
Хвост вируса Рапунцель исключительно длинный, что, по-видимому, дает ему дополнительную способность захватывать бактерии и проникать в них. В то же время, однако, такая длина означает, что сборка хвоста может пойти не так, как надо.
Исследователи считают, что должны существовать внутренние механизмы, которые удерживают развивающийся хвост на правильном пути, и эти механизмы, вероятно, общие с другими фагами. Понимание того, как они работают, однажды поможет ученым создать более эффективные методы борьбы со смертельными бактериями.
«Я считаю, что изучение уникальных интересных вещей может привести к открытиям и их применениям, которые мы даже не можем себе представить», говорит Эмили Агнелло.
Теперь, когда известно, как формируется хвост вируса, исследователи планируют генетически изменить его длину, чтобы увидеть, как это может изменить его взаимодействие с бактериями.
