Forskare avslöjar hur bakterier fäster vid cellulosafibrer i tarmen

Forskare har avslöjat en ny molekylär mekanism genom vilken bakterier fäster vid cellulosafibrer i människans tarm. Tack vare två olika bindningsmetoder, de tål skjuvkrafterna i kroppen. Forskare vid universitetet i Basel och ETH Zürich publicerade sina resultat i tidskriften "Nature Communications" .

Cellulosa är en viktig byggsten för växtcellväggar, bestående av molekyler sammanlänkade till fasta fibrer. För människor, cellulosa är osmältbart, och majoriteten av tarmbakterierna saknar de enzymer som krävs för att bryta ner cellulosa.

Dock, nyligen genetiskt material från den cellulosa-nedbrytande bakterien R. champanellensis upptäcktes i tarmprover hos människor.

Bakteriell kolonisering av tarmen är avgörande för mänsklig fysiologi, och att förstå hur tarmbakterier fäster vid cellulosa breddar vår kunskap om mikrobiomet och dess relation till människors hälsa.

Bakterien som undersöks använder ett invecklat nätverk av ställningsproteiner och enzymer på den yttre cellväggen, kallas ett cellulosomenätverk, att fästa på och bryta ner cellulosafibrer. Dessa cellulosomenätverk hålls samman av familjer av interagerande proteiner.

Av särskilt intresse är kohesin-dockerin-interaktionen som är ansvarig för förankring av cellulosomenätet till cellväggen.

Denna interaktion måste motstå skjuvkrafter i kroppen för att fästa vid fiber. Denna viktiga egenskap motiverade forskarna att närmare undersöka hur förankringskomplexet reagerar på mekaniska krafter.

Genom att använda en kombination av enmolekylär atomkraftsmikroskopi, enkelmolekylfluorescens- och molekylära dynamiksimuleringar, Professor Michael Nash från University of Basel och ETH Zürich tillsammans med medarbetare från LMU München och Auburn University studerade hur komplexet motstår yttre kraft.

Två bindningslägen gör att bakterier kan fastna på ytor under flöde

De kunde visa att komplexet uppvisar ett sällsynt beteende som kallas dubbelbindningsläge, där proteinerna bildar ett komplex på två olika sätt.

Forskarna fann att de två bindningsmetoderna har mycket olika mekaniska egenskaper, med en brytning vid låga krafter på cirka 200 piconewton och den andra uppvisar en mycket högre stabilitet som bryter endast vid 600 piconewton kraft.

Ytterligare analys visade att proteinkomplexet uppvisar ett beteende som kallas "fångstbindning, "vilket innebär att proteininteraktionen blir starkare när kraften ökar.

Dynamiken i denna interaktion antas tillåta bakterierna att fästa vid cellulosa under skjuvspänning och släppa komplexet som svar på nya substrat eller för att utforska nya miljöer.

Vi observerar tydligt de dubbla bindningsmetoderna, men kan bara spekulera i deras biologiska betydelse. Vi tror att bakterierna kan styra bindningsläget genom att modifiera proteinerna. Detta skulle möjliggöra byte från ett lågt till högt vidhäftningstillstånd beroende på miljön . "

Michael Nash, Professor, Universitetet i Basel

Genom att belysa denna naturliga vidhäftningsmekanism, dessa fynd sätter scenen för utvecklingen av artificiella molekylära mekanismer som uppvisar liknande beteende men binder till sjukdomsmål.

Sådana material kan ha tillämpningar i biobaserade medicinska superlim eller skjuvförstärkt bindning av terapeutiska nanopartiklar inuti kroppen. "Tills vidare, vi är glada att återvända till laboratoriet och se vad som fastnar, säger Nash.

• Alarminer är guldet i bröstmjölk
• Mänskliga tarmmikrober spelar en viktig roll för att upprätthålla hälsan