Enam tahun lalu, Michael Niederweis, Ph.D., menjelaskan racun pertama yang pernah ditemukan untuk patogen mematikan Mycobacterium tuberculosis. Toksin ini, toksin nekrotikan tuberkulosis, atau TNT, menjadi anggota pendiri kelas baru racun yang sebelumnya tidak dikenal yang ada di lebih dari 600 spesies bakteri dan jamur, sebagaimana ditentukan oleh kesamaan urutan protein. Toksin dilepaskan saat bakteri M. tuberculosis bertahan dan tumbuh di dalam inang makrofag manusia, membunuh makrofag dan memungkinkan keluarnya dan penyebaran bakteri.

Selama 132 tahun, kurangnya toksin yang teridentifikasi pada M. tuberculosis kontras dengan hampir semua bakteri patogen lain yang toksinnya berkontribusi pada penyakit atau kematian. M. tuberculosis menginfeksi 9 juta orang setahun dan membunuh lebih dari 1 juta.

Sekarang, dalam karya terobosan lainnya, peneliti dan rekan dari University of Alabama di Birmingham menjelaskan bagaimana dua protein ESX kecil yang dibuat oleh bakteri M. tuberculosis memediasi sekresi TNT dengan pembentukan pori di membran yang menyelimuti bakteri. Temuan ini mungkin memiliki penerapan yang luas karena motif asam amino tiga khas yang ditemukan pada EsxE dan EsxF – triptofan / asam amino apa pun / glisin, yang disingkat WXG – juga ditemukan pada banyak protein mikobakteri kecil lainnya dan pada superfamili besar WXG100 dari protein bakteri yang menyerupai EsxE dan EsxF.

“Di sini, kami menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa protein Esx kecil dari keluarga WXG100 memiliki fungsi molekuler penting di dalam sel Mtb dengan memediasi sekresi toksin,” kata Niederweis, seorang profesor di Departemen Mikrobiologi UAB. “Hasil kami menunjukkan mekanisme dinamis pembentukan pori oleh protein Esx kecil yang mungkin berlaku untuk anggota lain dari keluarga protein WXG100 yang besar. Dengan demikian, penelitian kami tidak hanya mewakili kemajuan besar dalam pemahaman kita tentang sekresi TNT dan kemungkinan protein lain. pada M. tuberculosis, tetapi juga menjelaskan fungsi biologis Esx-paralogs pada M. tuberculosis dan homolognya dalam famili protein WXG100 yang besar pada bakteri Gram-positif.”

TNT adalah salah satu dari dua domain dalam protein membran luar M. tuberculosis CpnT; aktivitas CpnT domain TNT di sitosol makrofag menginduksi kematian makrofag dengan menghidrolisis NAD +. M. tuberculosis memiliki membran dalam dan membran luar, dan protein perlu melewati setiap lapisan untuk disekresikan ke luar bakteri. Bagaimana CpnT sampai ke membran luar tidak diketahui.

EsxE dan EsxF adalah bagian dari segmen gen yang sama dengan CpnT, dan para peneliti UAB berhipotesis bahwa dua protein kecil mungkin terlibat dalam sekresi toksin.

Dengan membuat strain berbeda yang kekurangan EsxE atau EsxF, mereka menunjukkan bahwa kedua protein diperlukan untuk translokasi CpnT ke permukaan sel M. tuberculosis dan untuk sekresi TNT ke dalam sitosol makrofag yang terinfeksi M. tuberculosis. Selain itu, EsxE dan EsxF adalah protein yang dapat diakses permukaan pada M. tuberculosis sebagai kompleks yang berhubungan dengan membran.

Untuk mengetahui lebih lanjut tentang mekanisme translokasi tersebut, tim UAB membuat mutan dari setiap protein Esx, dimana asam amino triptofan motif WXG tunggal pada setiap protein digantikan oleh asam amino alanin. Mutan menunjukkan bahwa motif WXG utuh pada EsxE dan EsxF diperlukan untuk translokasi CpnT yang efisien ke membran luar M. tuberculosis dan sekresi TNT berikutnya ke dalam sitosol makrofag yang terinfeksi.

Pemurnian protein EsxE dan EsxF yang larut dalam air menunjukkan bahwa mereka membentuk dimer EsxE-EsxF, dan lima dari dimer ini berkumpul menjadi struktur berbentuk bintang, seperti yang terlihat dengan mikroskop elektron. Masing-masing berukuran sekitar 10 nanometer, dengan pori pusat 3-nanometer.

Percobaan dengan lapisan ganda lipid planar adalah kunci untuk memahami fungsi molekul EsxE-EsxF, karena mereka menunjukkan bahwa pori-pori EsxE-EsxF membentuk saluran melalui membran lipid.

Akhirnya, para peneliti menunjukkan bahwa motif WXG diperlukan untuk pembentukan pori dan gangguan membran oleh kompleks EsxE-EsxF, dan motif yang dimediasi perakitan oligomer EsxE-EsxF fungsional. Ini sekarang mendefinisikan peran biokimia untuk motif WXG yang sebelumnya membingungkan.

“EsxE dan EsxF merupakan komponen membran luar pertama yang diketahui yang memediasi sekresi protein pada M. tuberculosis,” kata Niederweis. “Namun, EsxE dan EsxF tidak mungkin cukup untuk sekresi TNT, karena sumber energi diperlukan di semua sistem sekresi protein bakteri yang diketahui. Oleh karena itu, ada kemungkinan bahwa EsxE-EsxF berasosiasi dengan protein atau kompleks protein lain untuk mencapai ekspor CpnT. dan sekresi TNT. “

Para peneliti UAB mengusulkan dua model untuk pengangkutan CpnT oleh EsxE dan EsxF. Pertama, heterodimer EsxE-EsxF membentuk pori di membran dalam, kemudian membentuk pori lain di membran luar untuk membuat saluran transmembran. “Alternatifnya,” kata Niederweis, “saluran membran dalam diperpanjang untuk menjangkau periplasma melalui pembentukan filamen, dan terhubung ke pori-pori EsxE-EsxF di membran luar, memperlihatkan EsxF pada permukaan sel. Dalam model ini, putatif EsxE-EsxF terowongan saluran memungkinkan ekspor polipeptida CpnT ke membran luar M. tuberculosis, dan sekresi berikutnya dari TNT dan EsxE-EsxF. “

Rekan penulis dengan Niederweis dalam studi tersebut, “Protein Esx pembentuk pori menengahi sekresi toksin oleh Mycobacterium tuberculosis,” diterbitkan di Nature Communications , adalah Uday Tak dan Terje Dokland, UAB Department of Microbiology.

“Karya ini merupakan pencapaian luar biasa dari seorang mahasiswa pascasarjana yang luar biasa, Uday Tak, yang melakukan hampir semua eksperimen ini sendiri,” kata Niederweis. Uday Tak memperoleh gelar Ph.D. pada November 2020 dan sekarang menjadi mahasiswa pascadoktoral di University of Colorado-Boulder. [Sciencedaily, REO.my.id]