کشف سیستم "نیزه‌پران" در باکتری‌ها!

بسیاری از باکتری‌ها، دستگاه‌های تزریق مولکولی پیچیده‌ای دارند که برای انجام دادن کارهای شگفت‌انگیز استفاده می‌شوند. به عنوان نمونه، یک باکتری، مولکول‌های خاصی را از طریق چنین نانوماشینی به لارو کرم تلقیح می‌کند که تبدیل لارو به کرم بالغ را در پی دارد. سایر باکتری‌ها از چنین سلاح‌های مولکولی برای کشتن گونه‌های خارجی باکتری یا لارو حشرات استفاده می‌کنند یا به دفاع از خود در برابر سلول‌های پاکسازی‌کننده می‌پردازند.

"مارتین پیلهوفر"(Martin Pilhofer)، استاد مؤسسه زیست‌شناسی مولکولی و بیوفیزیک مؤسسه فناوری فدرال زوریخ و در مورد این ماشین‌های تزریق مولکولی به همراه گروهش، به تازگی دو سیستم تزریقی جدید را شرح داده‌اند. یکی از این ماشین‌ها توسط "سیانوباکتری‌ها" (cyanobacteria) و دیگری توسط باکتری دریایی "Algoriphagus machipongonensis" به کار می‌رود."سیستم‌های تزریق انقباضی"(CIS) که به تازگی کشف شده‌اند، اساسا با دستگاه‌های توصیف‌شده پیشین متفاوت هستند و چند ویژگی منحصربه‌فرد دارند. در نتیجه، آنها می‌توانند اطلاعاتی را در مورد تفاوت‌های تکاملی بین گروه‌های مختلف سیستم تزریق ارائه دهند.این سیستم‌های تزریق انقباضی، مانند سرنگ‌های مولکولی کار می‌کنند. هنگامی که غلاف بیرونی نانوماشین منقبض می‌شود، یک لوله داخلی و پنهان پر از پروتئین به بیرون پرتاب می‌شود. این پروتئین‌ها یا به محیط یا مستقیما به سلول مورد نظر تزریق می‌شوند.

لنگر انداختن غافلگیرکننده در سلول
یک سیستم‌ تزریق انقباضی جدید که پژوهشگران آن را در سیانوباکتری‌ها یافتند، همان گونه که انتظار می‌رفت، در غشای سلولی لنگر نینداخت یا به طور آزادانه درون سلول شناور نبود؛ بلکه به غشای موسوم به "تیلاکوئید" (thylakoid) متصل بود. "گرگور وایس"(Gregor Weiss)، پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: این بزرگترین شگفتی برای ما بود.

سیستم‌ تزریق انقباضی با وجود این محلی‌سازی غیرمعمول، هدف خود را برآورده می‌کند. اگر سیانوباکتری‌ها تحت فشار قرار بگیرند، لایه‌های بیرونی سلول جدا می‌شوند. این امر، سیستم‌ تزریق انقباضی رو به بیرون را در معرض دید قرار می‌دهد که در صورت تماس با سلول‌های مورد نظر، آماده شلیک است.نیزه‌پران‌های مولکولی نیز به طور غیرمنتظره‌ای متداول هستند؛ آنقدر که به گفته ویس، نقش مهمی در چرخه زندگی سیانوباکتری‌ها دارند. فرضیه ویس این است که سیستم‌ تزریق انقباضی می‌تواند در مرگ سلولی برنامه‌ریزی‌شده سلول‌های سیانوباکتری‌های چند سلولی نقش داشته باشد.

سیستم تزریق خارج سلولی
از سوی دیگر، "جینگوی زو"(Jingwei Xu) و "چارلز اریکسون"(Charles Ericson)، پژوهشگران موسسه فناوری فدرال زوریخ که در گروه پیلهوفر نیز کار می‌کنند، یک سیستم‌ تزریق انقباضی تولیدشده توسط باکتری دریایی Algoriphagus machipongonensis را کشف و توصیف کردند که به هیچ وجه در سلول لنگر نمی‌اندازد؛ بلکه در عوض، درون سلول رها می‌شود که محیطی برای عمل کردن روی سلول‌های مورد نظر است.پژوهشگران از "میکروسکوپ الکترونی کرایو"(cryo-EM) برای بررسی ساختار این زیرگروه خاص از سیستم‌ تزریق انقباضی موسوم به "eCIS" با وضوح بسیار بالا استفاده کردند؛ کاری که پیشتر هیچ گروهی قادر به انجام دادن آن نبود.
اریکسون گفت: نانوماشین‌هایی که به تازگی کشف شده‌اند، سرنخ‌هایی به ما ارائه می‌کنند که نشان می‌دهد سیستم‌های تزریق انقباضی، رایج‌تر از آنچه پیشتر تصور می‌شد، هستند.

از مولکول تا کل باکتری
این پژوهش‌ها به دلیل رویکرد بینارشته‌ای و متنوع خود، خاص هستند. رویکرد آنها از باکتری‌های جمع‌آوری‌شده در اکوسیستم‌های طبیعی تا مدل‌های سطح اتمی مربوطه را شامل می‌شود. ویس گفت: این پژوهش به خوبی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از روش‌های گوناگون برای دستیابی به ایده‌ای درباره نحوه عملکرد این سیستم‌ها و ساختارها استفاده کرد. علاوه بر این، پژوهش ما نشان می‌دهد که برای درک نقش سیستم‌های تزریق در چرخه زندگی، باید از نمونه‌های آزمایشگاهی به سوی نمونه‌های محیطی حرکت کنیم.

کاربردهای آینده در زیست‌پزشکی
این دو پژوهش به پژوهشگران کمک می‌کنند تا بفهمند که چگونه ارگانیسم‌های تولیدکننده سیستم‌های تزریق انقباضی، بر محیط خود تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، قسمت‌های گوناگون این سیستم‌ها، چگونگی سازمان‌دهی هر سیستم‌ تزریق انقباضی را برای یک هدف خاص روشن می‌کنند.گیرنده‌های شبیه مو امکان اتصال هدفمند به سلول‌های مورد نظر را فراهم می‌کنند، بارگذاری متغیر این نیزه‌پران‌های مولکولی به اثرات سلولی متفاوت منجر می‌شود، و مکانیسم‌های متمایز به سیستم‌ تزریق انقباضی امکان می‌دهد تا عملکرد کاملا متفاوتی داشته باشند.با در نظر گرفتن این موضوع، می‌توان تصور کرد که پژوهشگران آینده با طراحی مجدد، از این ساختار در زیست‌پزشکی استفاده کنند تا یک نیزه‌پران مولکولی بتواند سلول‌های خاصی را هدف قرار دهد و داروها یا مواد ضد میکروبی را منتشر کند.این پژوهش، در مجله "Nature Microbiology" به چاپ رسید.