Подобно балластным цистернам на подводных лодках или рыбьим пузырям, многие водные бактерии используют газовые везикулы для регулирования своей плавучести. В новой публикации в журнале Cell ученые из отделов бионаук и физики визуализации впервые описали молекулярную структуру этих везикул. Эти газовые везикулы также недавно были перепрофилированы в контрастные агенты для ультразвуковой визуализации.

Газовые пузырьки (ГП) - это полые цилиндрические наноструктуры, состоящие из тонкой оболочки на основе белка и заполненные газом. Подобно балластным цистернам в подводных лодках или рыбьим пузырям, многие водные бактерии используют эти структуры для регулирования своей плавучести. "Например, некоторые цианобактерии используют газовые везикулы для всплытия на поверхность, чтобы собирать свет для фотосинтеза - явление, которое иногда наблюдается в огромных масштабах при цветении токсичных водорослей", - говорит Арьен Якоби, доцент кафедры бионаук.

Остаться на плаву

К таким структурам предъявляются очень специфические требования: чтобы бактерии оставались на плаву, ГВ должны занимать значительную часть клетки, что предполагает формирование отсеков, размер которых превышает сотни нанометров. Чтобы обеспечить максимальную плавучесть, оболочка должна быть построена из минимального количества материала. В то же время оболочка должна оказывать сопротивление давлению окружающей воды, чтобы сохранить способность плавать при изменении глубины воды. Поэтому ГВ эволюционировали как жесткие тонкостенные структуры, состоящие из одного белка, который повторяется много тысяч раз, образуя оболочку ГВ.

"Несмотря на интенсивные усилия, молекулярная структура ГВ и, следовательно, понимание их отличительных свойств на молекулярном уровне, оставались неуловимыми", - говорит Стефан Хубер, кандидат наук в лаборатории Якоби. "Но недавнее развитие высокотехнологичного оборудования для электронной микроскопии и алгоритмов обработки изображений позволило нам разгадать эту структуру почти на атомном уровне. Теперь мы можем представить криогенную электронно-микроскопическую (крио-ЭМ) структуру оболочки ГВ, дающую детальное представление о том, как растут ГВ и об уникальных эволюционных адаптациях, благодаря которым бактерии плавают".

Оловянные пищевые банки

Белок газовой везикулы GvpA имеет гофрированную структуру стенок, характерную для несущих силу тонкостенных цилиндров, похожих на ребристый металлический лист жестяных пищевых банок. Небольшие поры позволяют молекулам газа перемещаться через оболочку, в то время как химические свойства внутренней поверхности газовой везикулы эффективно отталкивают воду. Такая конструкция позволяет газовым пузырькам избирательно заполняться газом. Сравнение с широким спектром различных видов бактерий показало, что элементарная конструкция газовых пузырьков остается неизменной на протяжении всей эволюции.

Эта структура дает увлекательное представление об особенностях молекулярной структуры бактерий, которые позволили им плавать в водной среде, и проливает свет на хитроумные инженерные принципы наномасштаба, необходимые для поддержания тонких полых структур под давлением.

Ультразвук

Исследование также облегчит молекулярную инженерию газовых пузырьков для ультразвуковой визуализации. "В этом исследовании мы сотрудничали с лабораторией Дэвида Марески на кафедре физики визуализации, который обратился к нам с просьбой визуализировать газовые везикулы, полученные в его лаборатории", - говорит Якоби. В лаборатории Марески кандидат наук Дион Тервиел стремится использовать газовые везикулы в качестве контрастного агента для ультразвуковой визуализации, изменив их генетический код. Высокий контраст в плотности между газонаполненными ГВ и окружающими клеточными структурами делает их яркими на ультразвуковых изображениях, а их особые свойства являются потенциальным улучшением по сравнению с существующими контрастными агентами. "Полученные нами знания позволяют мне более точно перестраивать эти акустические биомолекулы", - говорит Тервиэль.

С 2014 года возродился интерес к газовым везикулам, поскольку они могут служить "зеленым флуоресцентным белком" для ультразвука. Знание структуры газовых пузырьков поможет нам разработать акустические биосенсоры, чтобы "шпионить" за биологическими процессами глубоко в тканях", - добавляет Мареска.