저온전자현미경을 이용한 포도상구균 박테리오파지의 원자구조

[아름이]

저온전자현미경을 이용한 포도상구균 박테리오파지의 원자구조
날짜:
2022년 12월 16일
원천:
앨라배마 대학교 버밍엄 캠퍼스
요약:
극저온 전자현미경은 박테리아 바이러스의 구조를 전례 없이 자세하게 드러냈습니다. 이것은 Staphylococcus epidermidis를 감염시킬 수 있는 바이러스의 첫 번째 구조이며 구조에 대한 고해상도 지식은 바이러스 생물학과 박테리아 감염을 진압하기 위한 바이러스의 잠재적인 치료 사용 사이의 핵심 연결 고리입니다.

버밍엄의 앨라배마 대학교 연구원들이 저온 전자 현미경으로 전례 없는 세부 사항으로 박테리아 바이러스의 구조를 노출했습니다. 이것은 Staphylococcus epidermidis를 감염시킬 수 있는 바이러스의 첫 번째 구조이며 구조에 대한 고해상도 지식은 바이러스 생물학과 박테리아 감염을 진압하기 위한 바이러스의 잠재적인 치료 사용 사이의 핵심 연결 고리입니다.

박테리오파지 또는 "파지"는 박테리아를 감염시키는 바이러스에 사용되는 용어입니다. Terje Dokland 박사가 이끄는 UAB 연구원들은 University of Illinois Urbana-Champaign의 Asma Hatoum-Aslan 박사와 공동으로 11개의 서로 다른 구조 단백질의 전체 또는 일부에 대한 원자 모델을 설명했습니다. 파지 안드라. 이 연구는 Science Advances에 게재되었습니다.

Andhra는 피코바이러스 그룹의 구성원입니다. 호스트 범위는 S. epidermidis로 제한됩니다. 이 피부 박테리아는 대부분 양성이지만 내재하는 의료 기기 감염의 주요 원인이기도 합니다. 일리노이 대학의 파지 생물학자인 Hatoum-Aslan은 "Picoviruses는 파지 컬렉션에서 거의 발견되지 않으며 치료 응용 분야에 대한 연구와 활용도가 낮은 상태로 남아 있습니다."라고 말했습니다.

S. epidermidis 및 관련 병원균인 Staphylococcus aureus에서 항생제 내성이 출현하면서 연구자들은 박테리오파지를 잠재적으로 사용하여 세균 감염을 치료하는 데 새로운 관심을 갖게 되었습니다. 피코바이러스는 박테리아 세포벽에 결합한 후 효소로 그 벽을 뚫고 세포막을 뚫고 바이러스 DNA를 세포에 주입한 후 항상 감염 세포를 죽입니다. 그들은 또한 작은 게놈과 박테리아 간에 박테리아 유전자를 전달할 수 없는 능력을 포함하여 치료용으로 매력적인 후보가 되는 다른 특성을 가지고 있습니다.

Andhra의 단백질 구조에 대한 지식과 이러한 구조가 바이러스가 박테리아를 감염시키는 방법에 대한 이해는 유전자 조작을 사용하여 특정 목적에 맞는 맞춤형 파지 생산을 가능하게 할 것입니다.

UAB의 미생물학 교수이자 UAB Cryo-Electron Microscopy Core의 책임자인 Dokland는 "S. aureus와 S. epidermidis를 감염시키는 파지 사이의 숙주 특이성에 대한 구조적 기초는 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다."라고 말했습니다. "현재 연구를 통해 우리는 Andhra 유전자 산물의 구조와 기능, 숙주 특이성의 결정 요인에 대해 더 잘 이해하게 되었고, 치료 적용을 위한 맞춤형 파지의 보다 합리적인 설계를 위한 길을 열었습니다. 우리의 발견은 다음에 대한 중요한 특징을 설명합니다. 비리온 조립, 호스트 인식 및 침투."

포도상 구균 파지는 일반적으로 다양한 세균 균주의 표면에 있는 테이코산 벽의 가변 중합체에 따라 감염시킬 수 있는 세균의 범위가 좁습니다. "이 좁은 숙주 범위는 양날의 검입니다. 한편으로는 파지가 질병을 일으키는 특정 병원체만을 표적으로 삼을 수 있습니다. 특정 사례"라고 Dokland는 말했습니다.

Andhra의 일반적인 구조는 바이러스 게놈을 포함하는 20면의 둥근 20면체 캡시드 헤드입니다. 캡시드는 짧은 꼬리에 붙어 있습니다. 꼬리는 주로 S. epidermidis에 결합하고 효소에 의해 세포벽을 파괴하는 역할을 합니다. 바이러스 DNA는 꼬리를 통해 박테리아에 주입됩니다. 꼬리 부분에는 캡시드에서 꼬리까지의 포털과 줄기, 부속물, 손잡이 및 꼬리 끝이 포함됩니다.

각 바이러스 입자를 구성하는 11개의 서로 다른 단백질은 함께 조립되는 여러 복사본에서 발견됩니다. 예를 들어, 캡시드는 2개의 단백질이 각각 235개 복제되고 나머지 9개 비리온 단백질은 2개에서 72개까지의 복제 수를 가집니다. 단백질 구조 예측 프로그램 AlphaFold를 사용하여 구조를 예측했습니다.

Dokland, Hatoum-Aslan, 공동 제1저자 N'Toia C. Hawkins, Ph.D., UAB 미생물학과 James L. Kizziah, Ph.D.가 기술한 원자 모델은 각 단백질의 구조를 보여줍니다. -- 알파 나선, 베타 나선, 베타 가닥, 베타 배럴 또는 베타 프리즘과 같은 분자 언어로 설명된 대로. 연구원들은 각 단백질이 캡시드의 6량체 및 5량체 면을 구성하는 것과 같이 동일한 단백질 유형의 다른 사본에 결합하는 방법과 각 단백질이 인접한 다른 단백질 유형과 상호 작용하는 방법을 설명했습니다.

전자 현미경은 물체를 비추기 위해 가속 전자 빔을 사용하여 광학 현미경보다 훨씬 더 높은 해상도를 제공합니다. 극저온 전자 현미경은 초저온의 요소를 추가하여 더 큰 단백질, 막 단백질 또는 막 결합 수용체와 같은 지질 함유 샘플 및 여러 생체 분자의 복합체의 거의 원자 구조 분해능에 특히 유용합니다.

지난 8년 동안 새로운 전자 검출기는 일반 전자 현미경에 비해 극저온 전자 현미경의 분해능을 엄청나게 향상시켰습니다. 극저온 전자 현미경을 위한 소위 "해상도 혁명"의 핵심 요소는 다음과 같습니다.

화씨 -256도 이하로 냉각된 액체 에탄에서 수성 샘플을 급속 동결합니다. 샘플을 방해하고 전자 빔을 산란시키는 얼음 결정 대신에 물이 창문과 같은 "유리 얼음"으로 동결됩니다.
샘플은 현미경에서 초저온으로 유지되며 단백질 손상을 방지하기 위해 적은 양의 전자가 사용됩니다.
매우 빠른 직접 전자 검출기는 초당 수백 프레임으로 개별 원자를 계산할 수 있으므로 샘플 이동을 즉석에서 수정할 수 있습니다.
고급 컴퓨팅은 수천 개의 이미지를 병합하여 고해상도의 3차원 구조를 생성합니다. 그래픽 처리 장치는 테라바이트의 데이터를 처리하는 데 사용됩니다.
샘플을 고정하는 현미경 스테이지도 이미지를 촬영할 때 기울일 수 있어 병원에서 CT 스캔과 유사한 3차원 단층 이미지를 구성할 수 있습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/