Partikel toksin antibakteri berbentuk payung melayang menuju dan menyerang sel target bakteri. Racun tersebut berasal dari Streptomyces dan berpotensi menghambat pertumbuhan spesies pesaing dalam genus yang sama. Kredit: Angela Gao
Protein berbentuk payung yang ditemukan oleh para ilmuwan menargetkan dan membunuh bakteri tertentu, sehingga menjanjikan untuk mengobati infeksi yang resisten.
Para peneliti telah menemukan partikel protein beracun, berbentuk seperti payung, yang dikenal sebagai bakteri tanah Streptomyces mengeluarkannya untuk memadamkan pesaing, terutama pesaing mereka sendiri jenis.
Penemuan partikel toksin payung dan informasi terkait tentang struktur, komposisi, dan cara kerjanya dipublikasikan pada 17 April di jurnal Alam.
Protein toksin payung adalah contoh terbaru dari beragam serangan bakteri ini terhadap bakteri mikroskopis lainnya. Komunitas bakteri yang padat dan beragam tempat mereka hidup merupakan tempat terjadinya serangan antimikroba, serangan balik, dan pertahanan.
Antibiotik dan Perang Bakteri
Ironisnya, banyak antibiotik yang digunakan secara klinis berasal langsung dari, atau terinspirasi oleh, molekul yang digunakan bakteri untuk melawan satu sama lain di habitat aslinya.. Streptomyces' persenjataan kimia dibandingkan para pesaingnya adalah salah satu sumber terkaya molekul-molekul tersebut. Diantaranya adalah obat streptomisin yang umum dan berspektrum luas.
Apa yang membuat racun antibakteri yang baru terdeteksi ini berbeda adalah, tidak seperti sebelumnya Streptomyces' antibiotik molekul kecil, racun payung adalah kompleks besar yang terdiri dari banyak protein. Antibiotik ini juga jauh lebih spesifik dalam menentukan bakteri yang menjadi targetnya, dibandingkan dengan antibiotik bermolekul kecil.
Para penulis Alam Makalah ini berspekulasi bahwa sifat racun payung ini menjelaskan mengapa mereka luput dari penemuan selama lebih dari 100 tahun penelitian tentang racun yang dihasilkan oleh racun tersebut Streptomyces.
Bioinformatika dan Mikroskop Cryo-Elektron Mengungkapkan Wawasan Baru
Gen yang mengkode racun payung awalnya ditemukan melalui pencarian bioinformatika untuk racun bakteri baru. Dalam eksperimen biokimia dan genetik yang dipimpin oleh Qinqin Zhao di laboratorium mikrobiologi Joseph Mougous di Universitas Washington Di Fakultas Kedokteran, para ilmuwan mengetahui bahwa racun ini berasosiasi dengan protein lain dalam suatu kompleks yang besar.
Mikroskopi krio-elektron kompleks protein ini dilakukan oleh Young Park di laboratorium David Veesler, profesor biokimia di Fakultas Kedokteran UW dan Penyelidik di Institut Medis Howard Hughes.
Studi-studi ini mengungkapkan bahwa kompleks toksin yang diisolasi Qinqin memiliki penampilan yang mencolok sesuai dengan penemuan mereka di Seattle. Mereka terlihat seperti payung.
Struktur dan Kekhususan Unik
“Bentuk partikel-partikel ini cukup aneh, dan akan menarik dalam penelitian di masa depan untuk mempelajari bagaimana morfologi mereka yang tidak biasa membantu mereka menghilangkan bakteri target,” kata Mougous, seorang profesor mikrobiologi di Fakultas Kedokteran UW dan Penyelidik Medis Howard Hughes. .
Para ilmuwan kemudian berusaha menentukan target racun-racun ini dengan menyaring dampaknya terhadap setiap organisme yang dapat mereka targetkan, mulai dari jamur hingga 140 bakteri berbeda, termasuk beberapa yang diambil dari tanaman sorgum di laboratorium penulis studi Devin Coleman di Universitas California- Berkeley dan Layanan Penelitian Pertanian Departemen Pertanian AS. .
Di antara musuh-musuh potensial ini, racun-racun tersebut secara khusus menargetkan saudara-saudaranya sendiri: yang lain Streptomyces jenis.
“Kami pikir kekhususan yang luar biasa ini mungkin disebabkan oleh protein yang membentuk jari-jari payung, yang bervariasi antar partikel. Ini termasuk protein yang mungkin menempel pada gula spesifik yang ditemukan pada permukaan bakteri pesaing,” komentar penulis studi S. Brook Peterson, ilmuwan senior di laboratorium Mougous.
Dengan menganalisis ribuan genom bakteri yang tersedia untuk umum, penulis studi Dapeng Zhang dari Universitas St. Louis dan mahasiswa pascasarjananya Youngjun Tan menemukan bahwa banyak spesies bakteri lain juga memiliki gen untuk memproduksi racun partikel payung. Menariknya, semua spesies ini membentuk filamen bercabang, suatu cara pertumbuhan yang tidak biasa pada bakteri.
Potensi Aplikasi Klinis dan Implikasi yang Lebih Luas
Selain banyaknya pertanyaan yang masih harus dijawab tentang biologi dasar partikel toksin payung, Mougous dan rekan-rekannya tertarik dengan potensi penerapan klinisnya.
Mereka menduga bakteri penyebab tuberkulosis dan difteri mungkin sensitif terhadap racun payung. Mereka mencatat bakteri yang sama telah menjadi kebal terhadap antibiotik tradisional. Partikel racun payung mungkin perlu ditelusuri, saran para ilmuwan, karena potensinya dalam menundukkan bakteri penyebab penyakit serius ini.
Referensi: “Streptomyces partikel toksin payung menghalangi pertumbuhan hifa spesies pesaing” oleh Qinqin Zhao, Savannah Bertolli, Young-Jun Park, Yongjun Tan, Kevin J. Cutler, Pooja Srinivas, Kyle L. Asfahl, Citlali Fonesca-García, Larry A. Gallagher, Yaqiao Li , Yaxi Wang, Devin Coleman-Derr, Frank DiMaio, Dapeng Zhang, S. Brook Peterson, David Veesler dan Joseph D. Mougous, 17 April 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07298-z
Studi tentang partikel toksin payung juga didanai oleh Defense Advanced Research Projects Agency Biological Technology Program: Harnessing Enzymatic Activity for Life saving Remedies (9HR0011-21-0012), National Institute of Allergy and Infectious Diseases (75N93022C00036), dan Pew Medical Scholars Program, Penghargaan Penyelidik dalam Patogenesis Penyakit Menular dari Burroughs Wellcome Fund, UW Arnold dan Mabel Beckman cryo-EM Center, Institut Kesehatan Nasional S100DO32290, Saint Louis University Startup Fund, Departemen Pertanian AS (CRIS 2030-21430-0080OD), dan USDA-NIFA (2019-67019-29306). Studi ini merupakan kontribusi dari Area Fokus Desain Biosistem Aman Laboratorium Nasional Pacific Northwest: Fungsi Rekayasa Kontrol Persistensi dalam Mikrobioma Tanah Kompleks (kontrak Departemen Energi AS DE-AC05-76RL01830).
