Ученые установили, как бактериальный фермент в виде кольца эффективно разрушает прочный «резиновый» коллаген. Исследование процесса ферментации этого суперпрочного белка открывает новые горизонты в области медицины.
Исследователи из США и Японии раскрыли, как бактерии преодолевают одну из самых устойчивых структур в организме — коллаген. Работа показала, что фермент, обладающий необычной молекулярной формой, напоминающей пончик, играет важную роль. Он фактически «разматывает» белок и разделяет его на части. Результаты исследования представлены в журнале Nature Communications.
Принцип действия «фермента-пончика»
Коллаген — это белок, формирующий каркас соединительных тканей. Он отвечает за эластичность и упругость кожи, силу мышц, гибкость связок и хрящей. Прочность коллагена обеспечивается тремя спирально закрученными цепочками, что делает его трудным для разрушения обычными ферментами.
Тем не менее, некоторые бактерии производят специальный фермент — коллагеназу. Международная группа исследователей выяснила, что это вещество имеет кольцевую структуру, которая «раскрывается», захватывает тройную спираль коллагена, разделяет её на отдельные нити и постепенно продвигается вдоль молекулы, разрезая её поэтапно.
Такой механизм называют процессивным: фермент не ограничивается одним разрезом, а последовательно «движется» по белку, эффективно разрушая его структуру. Исследователи сравнили коллагеназу с храповиком — зубчатым механизмом, который обеспечивает односторонний ход приводного элемента в технике.
Коллаген с тройной спиралью возник примерно миллиард лет назад и сыграл важную роль в эволюции многоклеточных организмов. Плотно закрученная структура защищает пептидные связи белка от легкого разрушения ферментами. Бактериям потребовалось сотни миллионов лет, чтобы разработать «ключ» для разрушения коллагена.
Значение для медицины
С одной стороны, этот механизм позволяет патогенным бактериям быстро разрушать ткани и распространяться по организму. Например, при молниеносной газовой гангрене, вызванной почвенными анаэробами-клостридиями, необратимое разрушение живой плоти может происходить со скоростью 2-3 см в час. Без срочной ампутации конечности летальный исход неизбежен.
С другой стороны, такие же свойства делают коллагеназу ценным инструментом в медицине. Она уже используется при трансплантации клеток поджелудочной железы в рамках лечения диабета, а также при фиброзных заболеваниях, таких как контрактура Дюпюитрена, где избыток коллагена мешает подвижности пальцев.
Понимание молекулярной структуры фермента даст возможность создавать улучшенные версии таких биомолекул для регенеративной медицины и терапевтических методов.