Bakterie grają zespołowo – współpraca międzygatunkowa bakterii ujawniona na poziomie strukturalnym

Już w 2021 roku Pierre Stallforth i jego zespół z Leibniz-Institute for Natural Product Research and Infection Biology (Leibniz-HKI) wykazali, że bakterie z rodzajów Pseudomonas i Paenibacillus łączą siły, aby chronić się przed swoim drapieżnikiem – amebą. Obecnie zespół kierowany przez Pierre’a Stallfortha, Ute Hellmich oraz Markusa Lakemeyera szczegółowo wyjaśnił mechanizm tego systemu obronnego. Badania przeprowadzono w ramach Cluster of Excellence Balance of the Microverse przy University of Jena, a ich wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Journal of the American Chemical Society” (JACS).

Analiza na poziomie molekularnym

Współpraca pomiędzy Pseudomonas sp. SZ40 a Paenibacillus sp. SZ31 opiera się na naturalnym produkcie – lipopeptydzie o nazwie syringafaktyna. Związek ten jest syntetyzowany przez Pseudomonas, jednak staje się toksyczny dla ameby dopiero po modyfikacji przeprowadzanej przez Paenibacillus. Bakteria ta rozszczepia lipopeptyd w nietypowym miejscu z wykorzystaniem dwóch wyspecjalizowanych enzymów określanych jako peptydazy DL. W wyniku tego procesu syringafaktyna przekształcana jest w substancję o działaniu toksycznym wobec drapieżnika.

Badaczy szczególnie zainteresował mechanizm rozszczepiania tej specyficznej klasy lipopeptydów DL oraz możliwość wykorzystania tego zjawiska do analizy interakcji mikroorganizmów. Charakterystyczną cechą tych naturalnych produktów jest nietypowe miejsce ataku w strukturze przestrzennej cząsteczki. W przyrodzie aminokwasy występują najczęściej w konfiguracji L, dlatego większość enzymów jest wyspecjalizowana w rozpoznawaniu i rozszczepianiu tej formy. Formy D i L różnią się wyłącznie symetrią – są swoimi lustrzanymi odbiciami, mając identyczny skład atomowy. W praktyce oznacza to, że wiele metod analitycznych nie odróżnia ich od siebie, mimo że biologiczne konsekwencje ich obecności są zasadniczo odmienne.

Wielofunkcyjna mechanika gry

Jak podkreślają autorzy, opisana modyfikacja nie jest pojedynczym przypadkiem, lecz prawdopodobnie stanowi specyficzny, choć szerzej występujący mechanizm biologiczny. Enzymy te mają szczególne znaczenie z punktu widzenia chemii produktów naturalnych – umożliwiają bowiem selektywne rozdzielanie złożonych cząsteczek na mniejsze fragmenty, co ułatwia ich strukturalną charakterystykę. Otwiera to nowe możliwości w analizie dotychczas nieopisanych substancji naturalnych i może przyspieszyć rozwój nowych leków przeciwzakaźnych opartych na produktach naturalnych.

Współpraca jako warunek sukcesu

Autorzy zwracają uwagę, że podobnie jak bakterie, również naukowcy osiągnęli sukces dzięki ścisłej współpracy interdyscyplinarnej. Badania obejmowały analizę małocząsteczkowych produktów naturalnych, struktur białkowych, kontekst komórkowy oraz ekologiczny, a także potencjalne zastosowania biotechnologiczne. Taka integracja kompetencji – od chemii i biologii strukturalnej po mikrobiologię i biotechnologię – umożliwiła kompleksowe wyjaśnienie zjawiska.

Projekt był realizowany we współpracy Leibniz-HKI z University of Jena oraz Julius Maximilian University of Würzburg. W badaniach uczestniczyli m.in.: Shuaibing Zhang, Ying Huang, Kevin Schlabach, Mai Anh Tran, Raed Nachawati, Anna Komor, Christian Hertweck i Pierre Stallforth (Leibniz-HKI), Markus Lakemeyer i Ute Hellmich (Friedrich Schiller University Jena) oraz Nicole Bader i Hermann Schindelin (Julius Maximilian University of Würzburg).

Badania uzyskały wsparcie Werner Siemens Foundation, Cluster of Excellence Balance of the Microverse oraz Collaborative Research Centre ChemBioSys.

Źródło: Microbial DL-Peptidases Enable Predator Defense and Facilitate Structure Elucidation of Complex Natural Products. Journal of the American Chemical Society.
DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jacs.5c17955