Sprutliknande bakteriestrukturer i nanoskala kan användas för att leverera nya läkemedel

Genom att skrapa rörmaskar från botten av båtar i hamnen i San Diego för att studera dem, San Diego State University forskare upptäckte att en fördelaktig bakterie som hjälper dem att etablera kolonier också kan vara en välsignelse för människors hälsa, eftersom samma process redan kan äga rum i människans tarm.

Genom att undersöka denna bakterie som orsakar metamorfos i den ödmjuka rörmask, marina mikrobiologer vid SDSU upptäckte att de nanoskala sprutliknande strukturer som produceras av den - en struktur med namnet Death Star för den effekt den har - kan användas i framtiden för att leverera nya terapier eller vacciner till riktade celler och vävnader hos människor.

Rörmaskar ( Hydroides elegans ) är små marina varelser med hårda skal som orsakar mycket besvär och ekonomiska förluster för båt- och fartygsägare. De håller sig till botten av båtar och bildar tumtjocka skorpiga lager, och attraherar även andra ryggradslösa djur som havsöror som sedan bildas ovanpå dem. Denna sk biofouling leder till ytterligare vikt och högre bränsleförbrukning. Så, alla från den amerikanska marinen till sjöfarts- och båtbyggnadsindustrin är intresserade av att ta reda på hur de gör detta och vad som kan göras för att förhindra att det händer.

Marin forskning ledde till betydande upptäckt

Nicholas Shikuma med SDSU har studerat rörmaskar i flera år med studenter i sitt labb, att förstå exakt varför de dras till vissa platser i havet där de etablerar kolonier.

Tidigare forskning av andra visade att liksom korallrev, sjöborrar och sjösprutor, rörmaskarna behövde också en gynnsam miljö för att föröka sig, så de drog vanligtvis till områden med friska populationer av bakterier som Pseudoalteromonas , en fördelaktig bakterie. Shikuma upptäckte att bakterien har Metamorfosassocierade kontraktila strukturer (MAC) - sprutliknande strukturer som injicerar innehåll i larverna av rörmaskar, hjälper till att omvandla den till ungmaskar.

Vad han och medforskare inte visste var om MAC:erna injicerade en biokemikalie i rörmask för att orsaka metamorfos och hålla sig till båtskrov. Shikumas laboratorium använde kryo-elektron tomografi för att studera strukturerna och hittade matriser av dödsstjärnformade injektionssystem, som frigörs av bakterien.

De upptäckte att sprutstrukturerna innehöll ett nytt effektorprotein, Mif1, som reglerar biologisk aktivitet i rörmaskens värd, och det är detta protein som är ansvarigt för att orsaka metamorfos.

Massor av patogener producerar dessa sprutstrukturer som vanligtvis orsakar sjukdom. Men det här är första gången vi upptäckte bakterier som använder sprutan för ett symbiotiskt syfte. "

Nicholas Shikuma, SDSU

Att stjäla sprutor från fag, men av goda skäl

MAC liknar liknande sprutstrukturer som finns på bakteriofager - virus som infekterar bakterier - och med evolutionen, bakterierna har "stulit" denna struktur från fagerna, och har nyttjat det.

"Fag angriper vanligtvis bakterier med dessa strukturer, men istället för att använda den för att infektera andra bakterier, de Pseudoalteromonas använder den nu för att interagera med andra djur, såsom rörmaskar, insekter, och musceller, "Sa Shikuma.

"MAC skapas när bakterierna genomgår celllys - när cellerna spränger sig själva - och bakterierna som gör detta dör efteråt, så det är nästan som altruism eftersom det gynnar resten av bakteriepopulationen. "

Inte alla bakterier i denna stam producerar MAC, bara ungefär en av 50 gör det, men eftersom vi kan producera biljoner av dessa bakterier, utbud kommer inte att vara ett problem och fler av dem kan konstrueras för att producera MAC, han förklarade.

Resultaten publiceras den 17 september eLife tidning, och följ på hälarna på en ny publikation från Shikumas laboratorium som publicerades i Cellrapporter i juni i år som tittade på hur denna bakterie interagerar in vitro med insekts- och musceller. Det dokumentet visade hur de mikroskopiska sprutstrukturerna kan modifieras med nyttolast som potentiellt kan bära terapier eller vacciner.

Shikuma har fått ett provisoriskt patent på resultaten i båda artiklarna, om att använda MAC:erna för att leverera modifierade proteiner. Som ett nästa steg, nuvarande forskning i hans laboratorium involverar gruvdata från Human Microbiome Project för att se om vi människor har samma bakteriesprutstruktur i våra tarmar som kan utnyttjas för terapi.

• Fästingar som nu bär flera sjukdomar,
• Tarmbakteriella förändringar påverkar lupusbehandlingsresultat under graviditet