Белок PilA-N необходим для образования «нанопроводов» у бактерии Geobacter sulfurreducens

Клетки бактерий рода Geobacter могут выводить из своих клеток электроны с помощью поверхностных придатков — пилей. Это явление известно как «микробные нанопровода» (microbial nanowires). Дело в том, что представители рода Geobacter живут в среде, бедной кислородом, поэтому они вынуждены выводить электроны из клеток на другие внешние акцепторы электронов. С 2005 года считалось, что «нанопровода» представлены пилями 4 типа, состоящими только из белка PilA-N. Однако недавний структурный анализ показал, что клетки Geobacter пилей не образуют пилей во время передачи электронов, а «нанопровода» сформированы цитохромами OmcS и OmcZ.

Авторы новой работы, опубликованной в Nature, разобрались, каким образом клетки бактерии Geobacter sulfurreducens передают электроны. С помощью криоэлектронной микроскопии они показали, что клетки G. sulfurreducens дикого типа несут гетеродимерные пили, состоящие из белков PilA-N и PilA-C. C-концевые остатки PilA-N взаимодействуют с PilA-C посредством электростатических и гидрофобных связей, причем PilA-C локализуется на поверхности пиля. Гетеродимерные пили из белков PilA-N и PilA-C располагаются в периплазматическом пространстве бактериальной клетки. Такие пили по структуре и локализации сильно отличаются от пилей 4 типа, расположенных на поверхности клетки.

Ученые показали, что пили, состоящие из PilA-N и PilA-C, плохо подходят для передачи электронов. Боковые ароматические радикалы аминокислотных остатков в белке PilA-N находятся слишком далеко друг от друга, чтобы иметь возможность «перекидывать» друг другу электроны. Из-за этой особенности пили, содержащие PilA-N, по электропроводности уступают OmcZ почти в 20 тысяч раз.

Структура пилей из PilA-N и PilA-C близка к структуре псевдопилей — компонентов бактериальной системы секреции второго типа, перемещающей белки из периплазма во внешнюю среду. Авторы работы заключили, что эти пили не формируют «микробные нанопровода», а выполняют секреторные функции. Тем не менее, они все же задействованы в передаче электронов между клетками Geobacter. Делеция гена pilA-N приводила к тому, что цитохромы OmcS и OmcZ переставали экспортироваться на поверхность клетки, из-за чего бактерия утрачивала способность к передаче электронов. Таким образом, пили, состоящие из белков PilA-N и PilA-C, хотя и не передают электроны, необходимы для экспорта на внешнюю поверхность клетки цитохромов OmcS и OmcZ, которые и отвечают за передачу электронов.

Этот вывод авторы дополнительно подтвердили на клетках штамма Gs-Pa, которые несут пили 4 типа, на поверхности, но не имеют пилей из PilA-N и PilA-C. Такие клетки успешно транспортируют наружу цитохром OmcS, но не OmcZ, поэтому не могут образовывать «микробные нанопровода».

Авторы отмечают, что полученные ими сведения о строении пилей, необходимых для внеклеточного транспорта электронов, будут полезны для разработки синтетических белковых «нанопроводов».