Particules de toxines antibactériennes en forme de parapluie dérivant vers et engageant une cellule cible bactérienne. Les toxines proviennent de Streptomyces et inhibent puissamment la croissance d’espèces concurrentes du même genre. Crédit : Angela Gao
Les protéines en forme de parapluie découvertes par les scientifiques ciblent et tuent des bactéries spécifiques, ce qui semble prometteur pour le traitement des infections résistantes.
Les chercheurs ont découvert des particules de protéines toxiques, en forme de parapluies, que les bactéries du sol appellent Streptomyces secret pour étouffer les concurrents, en particulier les autres espèces.
La découverte des particules de toxine parapluie et des informations connexes sur leurs structures, leur composition et leur mode d'action ont été publiées le 17 avril dans la revue Nature.
Les protéines de la toxine parapluie sont le dernier exemple des attaques variées de ces bactéries sur leurs rivales microscopiques. Les communautés bactériennes surpeuplées et diverses dans lesquelles ils vivent sont une mêlée d’attaques, de contre-attaques et de défenses antimicrobiennes.
Antibiotiques et guerre bactérienne
Ironiquement, de nombreux antibiotiques utilisés en clinique dérivent directement ou sont inspirés de molécules que les bactéries utilisent les unes contre les autres dans leur habitat naturel.. Streptomyces' les armes chimiques contre leurs concurrents constituent l’une des sources les plus riches de ces molécules. Parmi eux se trouve la streptomycine, un médicament courant à large spectre.
Ce qui différencie ces toxines antibactériennes nouvellement détectées, c'est que, contrairement aux Streptomyces' antibiotiques à petites molécules, les toxines parapluie sont de grands complexes composés de plusieurs protéines. Ils sont également beaucoup plus spécifiques quant aux bactéries qu’ils ciblent, par rapport aux antibiotiques à petites molécules.
Les auteurs du Nature L'article suppose que ces propriétés des toxines parapluie expliquent pourquoi elles ont échappé à la découverte pendant plus de 100 ans de recherche sur les toxines produites par Streptomyces.
La bioinformatique et la cryomicroscopie électronique révèlent de nouvelles connaissances
Les gènes codant pour les toxines parapluie ont été initialement découverts grâce à une recherche bioinformatique de nouvelles toxines bactériennes. Dans les expériences biochimiques et génétiques menées par Qinqin Zhao dans le laboratoire de microbiologie de Joseph Mougous au Université de Washington À l'École de médecine, les scientifiques ont appris que ces toxines s'associent à d'autres protéines dans un vaste complexe.
La microscopie cryoélectronique de ces complexes protéiques a été réalisée par Young Park dans le laboratoire de David Veesler, professeur de biochimie à la faculté de médecine de l'UW et chercheur au Howard Hughes Medical Institute.
Ces études ont révélé que les complexes de toxines isolés par Qinqin adoptent une apparence frappante digne de leur découverte à Seattle. Ils ressemblent à des parapluies.
Structure et spécificité uniques
« La forme de ces particules est assez particulière et il sera intéressant dans les travaux futurs d'apprendre comment leur morphologie inhabituelle les aide à éliminer les bactéries cibles », a noté Mougous, professeur de microbiologie à la faculté de médecine de l'UW et chercheur médical de Howard Hughes. .
Les scientifiques ont ensuite cherché à déterminer les cibles de ces toxines en examinant leurs effets sur tous les organismes qu'ils pourraient cibler, des champignons à 140 bactéries différentes, y compris certaines prélevées sur des plants de sorgho dans le laboratoire de l'auteur de l'étude Devin Coleman de l'Université de Californie. Berkeley et le Service de recherche agricole du Département de l'Agriculture des États-Unis. .
Parmi ces adversaires potentiels, les toxines ciblaient spécifiquement leurs propres frères : d’autres Streptomyces espèces.
« Nous pensons que cette spécificité exquise peut être due aux protéines qui composent les rayons du parapluie, qui varient selon les particules. Celles-ci incluent des protéines qui pourraient s'accrocher à des sucres spécifiques trouvés à la surface des bactéries concurrentes », a commenté l'auteur de l'étude S. Brook Peterson, scientifique principal du laboratoire Mougous.
En analysant les milliers de génomes bactériens accessibles au public, les auteurs de l'étude, Dapeng Zhang, de l'Université de Saint-Louis, et son étudiant diplômé, Youngjun Tan, ont découvert que de nombreuses autres espèces de bactéries possèdent également les gènes nécessaires pour fabriquer des toxines de particules parapluie. Il est intéressant de noter que ces espèces forment toutes des filaments ramifiés, un mode de croissance inhabituel parmi les bactéries.
Applications cliniques potentielles et implications plus larges
Outre les nombreuses questions restant sans réponse sur la biologie fondamentale des particules de toxines parapluie, Mougous et ses collègues sont intrigués par leurs applications cliniques potentielles.
Ils soupçonnent que les bactéries responsables de la tuberculose et de la diphtérie pourraient être sensibles aux toxines du parapluie. Ils notent que ces mêmes bactéries sont devenues résistantes aux antibiotiques traditionnels. Les particules de toxine Umbrella pourraient valoir la peine d’être explorées, ont suggéré les scientifiques, en raison de leur potentiel à maîtriser ces bactéries pathogènes graves.
L'étude a été soutenue par le Microbial Interactions & Microbiome Center de l'Université de Washington, que Mougous dirige en tant que titulaire de la chaire Lynn M. et Michael D. Garvey en gastroentérologie. L'objectif de mim_c est de catalyser la recherche sur le microbiome dans le nord-ouest du Pacifique, en mettant l'accent sur la définition des mécanismes moléculaires des interactions interbactériennes sous-jacentes aux communautés microbiennes importantes pour la santé humaine ou l'environnement.
L'étude des particules de toxines parapluie a également été financée par le programme de technologie biologique de la Defense Advanced Research Projects Agency : exploiter l'activité enzymatique pour des remèdes qui sauvent des vies (9HR0011-21-0012), l'Institut national des allergies et des maladies infectieuses (75N93022C00036), un Pew Medical Scholars. Programme, un prix d'enquêteurs sur la pathogenèse des maladies infectieuses du Burroughs Wellcome Fund, du UW Arnold et Mabel Beckman cryo-EM Center, du Instituts nationaux de la santé S100DO32290, Saint Louis University Startup Fund, Département américain de l'Agriculture (CRIS 2030-21430-0080OD) et USDA-NIFA (2019-67019-29306). L’étude est une contribution du domaine d’intervention du Pacific Northwest National Laboratory Secure Biosystems Design : Persistence Control Engineered Functions in Complex Soil Microbiomes (contrat DE-AC05-76RL01830 du Département américain de l’énergie).
