Deinococcus radiodurans, также называемый «бактерией Конан», может выдерживать гораздо более высокие дозы радиации, чем люди.
© USU/Michael Daly
Раскрыта структура необычного бактериального антиоксиданта
Рентгеновские и гамма-лучи вызывают образование свободных радикалов (O2.-) и окислительный стресс в живых клетках, которые могут повреждать ДНК и белки. Однако бактерия Deinococcus radiodurans необычайно устойчива к такому ионизирующему излучению. Этот микроб живет повсюду — даже в таких негостеприимных местах, как Антарктика, в ядерных реакторах или в кишечнике людей и животных, — и способен выдерживать дозы радиации до 25 000 Грей (Гр) и даже 140 000 Грей, если его высушить и заморозить. Это в 28 000 раз больше смертельной дозы для человека.
Поэтому Deinococcus radiodurans считается самой устойчивой бактерией в мире и также известна как «бактерия Конана» — в отсылке к герою фильма «Конан-варвар». Такая устойчивость возможна благодаря толстой клеточной стенке, механизмам восстановления бактериальной ДНК и особым марганецсодержащим молекулам внутри бактерии, которые оказывают антиоксидантное действие. Как показали предыдущие исследования, чем больше марганца-антиоксиданта, тем устойчивее микроб.
Как именно работает эта защищенная молекула?
Моделирующая молекула под условным названием MDP
Команда под руководством Хао Яна из Северо-Западного университета в Иллинойсе теперь изучает этот вопрос более детально. Исследователи создали синтетический дизайнерский антиоксидант по образцу Deinococcus radiodurans и изучили его структуру и свойства с помощью спектроскопии электронного спинового резонанса (ЭПР) и ядерно-спинового анализа (ENDOR/ESEEM и ЯМР).
Молекула состоит из декапептида DP1 — цепочки из десяти аминокислот, как в фильме «Конан», — в сочетании с фосфатной группой и ионами марганца (Mn2+). Соотношение этих компонентов при производстве составляет 25:3:1, как у Deinococcus. Полученная искусственная конструкция с аббревиатурой MDP перехватывает свободные радикалы и тем самым успешно защищает живые клетки и белки от радиационного повреждения, как показали предварительные испытания.
Пептид усиливает защитное действие марганца
Структурный анализ также показал, что отдельные компоненты MDP образуют тернарный комплекс — особое пространственное расположение фосфата, марганца и пептида. Такая структура более стабильна, чем марганец в сочетании с фосфатом или пептидом. Кроме того, тройной комплекс гораздо лучше защищает от радиационного поражения: в ходе испытаний он защищал белок от доз радиации до 60 000 грей, в то время как марганец-фосфатный комплекс защищал только до 10 000 грей, как выяснили биохимики.
«Именно этот троичный комплекс обеспечивает выдающуюся защиту MDP от радиации»,
«Мы давно знаем, что ионы марганца и фосфаты вместе образуют мощный антиоксидант. Но открытие и понимание «магической» силы, создаваемой добавлением третьего компонента, стало настоящим прорывом».
— заключает старший автор исследования Брайан Хоффман из Северо-Западного университета.
Защита для астронавтов и вакцин
Благодаря новым знаниям о защитной молекуле «Конана» теперь могут быть разработаны новые синтетические антиоксиданты для защиты человека от радиации. «Это новое понимание MDP может привести к разработке еще более эффективных антиоксидантов на основе марганца для применения в здравоохранении, промышленности, обороне и освоении космоса», — говорит соавтор работы Майкл Дейли из Университета унифицированных служб (USU).
Таким образом, антиоксиданты, созданные на основе Deinococcus radiodurans, могут защитить астронавтов от интенсивной космической радиации во время полетов в космос или людей на Земле от радиации в случае ядерных аварий. Кроме того, такие антиоксиданты могут облегчить производство вакцин, в которых генетический материал патогенов, таких как вирусы или бактерии, разрушается под действием радиации, не повреждая их поверхностные белки, активирующие иммунную систему. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; doi: 10.1073/pnas.2417389121)
Источник: Северо-Западный университет
10 декабря 2024 — Клаудия Крапп
