Was ist im Kopf des Bakteriophagen • Galina Klink • Wissenschaftliches Bild des Tages über die "Elemente" • Virologie

Was ist im Kopf von Bakteriophagen

Diese mikroskopische Aufnahme, aufgenommen mit einem Kryoelektronenmikroskop, erfasst den ikosaedrischen Kopf eines Bakteriophagen (Virus, der Bakterien infiziert) T4. T4 ist spezialisiert auf Enterobakterien, einschließlich Escherichia coli (Escherichia coli). Dies ist ein ziemlich großer Bakteriophage, seine Breite beträgt etwa 90 nm und seine Länge beträgt 200 nm. Die roten Klumpen im Kopf auf dem Foto sind dicht gepackte DNA. Tatsächlich gibt es außer der DNA nichts im Kopf des Phagen, nur die Proteinhülle ist das Kapsid.

Das Genom des Phagen T4 ist riesig, es enthält 168 903 Nukleotidpaare – nur 30 Mal kleiner als das Genom seines Wirts, Escherichia coli. Escherichia coli. Zum Vergleich beträgt die Länge des humanen Papillomavirus-Genoms 8000 Basenpaare. Was kodiert eine so lange Bakteriophagen-DNA und wie passt sie überhaupt in den Kopf eines Virus?

Phage T4 ist einer der komplexesten Viren. Er trägt in seiner DNA etwa 300 Protein-kodierende Gene bei, und von diesen sind nur 69 notwendig, um unter Standard-Laborbedingungen zu überleben. Die meisten Proteine ​​des Phagen T4 sind den bekannten Proteinen anderer Organismen nicht ähnlich. Aber es gibt solche, deren Verwandte in Prokaryoten und Eukaryoten gefunden wurden. Die Funktionen vieler Proteine ​​dieses Virus sind noch nicht bekannt, der Kopf allein besteht aus mindestens 12 Arten von Proteinen.Zusätzlich zu Proteinen codiert die Bakteriophagen-DNA mehrere Transport-RNAs und kurze regulatorische RNAs, eine Eigenschaft, die für in sich geschlossene Organismen gemeinsam ist, aber unter Viren nicht üblich ist.

Modell des Bakteriophagen T4, Proteine ​​sind in verschiedenen Farben gezeigt. Aus dem Kopf des Virus hinterlässt eine lange Röhre – Proteinschwanzhülle. Die Basalplatte mit Spikes (lila), aus denen die "Beine" – fibrillären Filamente, mit deren Hilfe das Virus auf Bakterien zurückgehalten wird. Wenn der Bakteriophage an der Zellwand des Opfers befestigt ist, schrumpft die Hülle, der Kern dringt in die Wand ein und injiziert Nukleinsäure vom Kopf in die Bakterienzelle. Bild von prophage.blogspot.com

Im Verlauf der Infektion schaltet der Bakteriophage T4 die Arbeit der zellulären Systeme des Wirts vollständig auf seine Bedürfnisse um. Dieser Parasit hilft seinen eigenen Enzymen für die Synthese von Nukleotiden, Replikation (Verdoppelung) und Reparatur (Reparatur von Schäden) von DNA und vielen anderen Proteinen. Zum Beispiel hat T4 ein Protein, das zusammen mit Phagen-DNA in das Bakterium eindringt und in den frühen Stadien der Infektion RNA-Polymerase (das Haupttranskriptionsprotein – "Umschreiben" genetischer Information von DNA zu RNA) der Bakterien modifiziert, so dass das Enzym leichter mit der DNA des Virus interagiert, als mit Zell-DNA.Dies fördert die Synthese von Proteinen, die der Phage zu Beginn der Infektion benötigt. Später modifiziert ein anderes Protein die Polymerase, so dass es leichter mit den Phagen-T4-Genen zu interagieren beginnt, die im nächsten Schritt benötigt werden. Schließlich beginnt die Bakterium-RNA-Polymerase nach einer weiteren Modifikation mit den sogenannten "späten" T4-Genen zu interagieren.

Ein anderes interessantes Beispiel ist ein Protein, das in die innere Membran der Wirtszelle eingeführt wird (E. coli, wie jedes Gram-negative Bakterium, das sich selbst respektiert, hat zwei Zellmembranen) und erlaubt nicht die genetische Information anderer Bakteriophagen hineinzukommen. T4 enthält auch Proteine, die die DNA des Wirtsbakteriums und anderer Bakteriophagen, die es durchdrungen haben, schneiden. Sie binden nicht an die T4-DNA, da sie anstelle des Nukleotids von Cytosin modifiziertes Hydroxymethylcytosin enthält.

Proteine, die für die Synthese neuer Virionen (virale Partikel) und für die Verpackung von DNA in sie notwendig sind, verdienen eine separate vimania. Mehr als 40% der Proteine ​​von Phage T4 sind an der Anordnung eines Virions beteiligt, das aus einem Kopf und einem schrumpfenden Schwanz mit Schwänzen zur Anheftung an Bakterien besteht.Das Virion ist so komplex, dass das T4 spezielle "Gerüsteichhörnchen" hat, die ein Skelett für die Kopfmontage bilden und aus diesem entfernt werden, wenn es reif ist.

Wie ein so großes DNA-Molekül in den Viruskopf passt, ist noch nicht genau bekannt. Es ist jedoch bekannt, dass es durch die Wirkung des Proteins "Motor", das mit der Hydrolyse des "Energie-Moleküls" ATP verbunden ist, nach innen gezogen wird. Das gesamte T4-Genom wird in fünf Minuten in den Kopf geschoben.

Modernes Modell der DNA-Verpackung im Kopf des Bakteriophagen T4

Wissenschaftler versuchen bereits, T4 zu "lehren", fremde Nukleinsäuren oder Proteine ​​in seinen Kopf zu packen. Es wird angenommen, dass auf diese Weise molekulare Lasten an spezifische eukaryotische Zellen abgegeben werden können.

Foto von cgl.ucsf.edu.

Über Kryoelektronenmikroskop siehe auch:
Nobelpreis für Chemie – 2017, "Elements", 10.12.2017.

Über Bakteriophagen, siehe auch:
Bakteriophagen: 100 Jahre im Dienst der Menschheit, "Wissenschaft aus erster Hand" №4, 2016.
Bakterium-Esser, populäre Mechaniker, Nr. 10, 2013.

Galina Klink


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